我国首创晶体--GFB

央视报道，我国科学家创制全波段相位匹配晶体，四氟硼酸胍晶体（GFB）。
（福晶科技 ）
一、意义
从0到1的重大突破。
光的反射、折射等线性光学性质在生活中十分常见，但比自然光强度高出千万倍以上的激光在遇到特定材料时，会表现出一系列非线性光学现象。一束激光穿过非线性光学晶体，射出的光线会“一分为二”，单束光线的波长变为二分之一，频率则提升至两倍。激光器因自身特性，其输出的波长是固定值，但实际应用场景需要获取不同波长、不同能量的激光。非线性光学晶体的“变频”性能，在激光切割焊接、芯片加工等领域都有广泛应用。
不过，常见的非线性光学材料也有缺点，晶体本身的色散会使变频后的两束激光速度产生细微差异，两束光无法“同频共振”，极大削弱了输出效率。
波长短于200纳米的深紫外激光波长短、光子能量高，有着重要的应用价值。在深紫外光学晶体领域，我国长期处于世界领先，此前已研制出多款“中国牌”晶体。中国科学院新疆理化所致力于新型光电功能晶体材料的科研攻关，基于对该领域前沿进展的研究，以及非线性光学晶体双折射相位匹配现状的分析，科研团队提出了一种理想状态——在紫外截止边等于最短匹配波长的状态下，激光穿过晶体时可以实现“同频共振”，从而达到相位匹配波长损失为零。
沿着这个思路，他们历时数年探索，终于成功创制出GFB晶体，实现了全波段双折射相位匹配！这是非线性光学中的一种最理想的状态，即所有的波段（或频率）都能在非线性晶体中得到最佳的相位匹配，进而获得最高的非线性转换效率。
此前世界范围内已有的非线性光学晶体，全都存在相位失配导致的波长损失。我们率先研制出全波段相位匹配晶体，并对这类晶体做了概念解读和机理阐明，开拓了重要一域。
二、商业潜力
1.已可量产。
四氟硼酸胍晶体（GFB）的生产条件很便捷，它能在常温水溶液中生长，加入原料的溶液加热到40摄氏度后再逐渐降温，晶体就能一点点析出，完全可以大规模量产。据中国科学院新疆理化所晶体材料研究中心研究员米日丁·穆太力普介绍：“这项技术我们是从头开始摸索的，目前在实验室条件下，已经可以实现激光器所需的1厘米尺寸晶体量产。”实验室已可量产，那么商业化量产自然是水到渠成的事，生产和销售将一如既往交给同根的晶体商业化专业团队——福晶科技。
2.成本极低。
很多晶体的制备需要数百摄氏度的高温，或要使用昂贵的重水等原料，相比之下，GFB晶体的制备成本极低，水溶液法生长晶体具有低耗能、对晶体生长的仪器装置要求不高、可肉眼观察晶体生长过程、易生长均匀性良好的大尺寸晶体等优势。GFB晶体生长所使用的原料碳酸胍和四氟硼酸，这个原料的价格非常低廉，5千克装日常销售价格分别为900元和400元左右，比如大科学装置点火所使用的氘价格昂贵，而晶体生长成本是其千分之一到万分之一。
3.应用硬核。
①半导体晶圆检测
在半导体晶圆检测时，我们需要使用激光进行精细的检测和操作，例如照亮晶圆以查看其表面的缺陷，或者用来制造微小的电路图案。这个过程中，激光器在各种应用中发挥着重要作用，如缺陷检测、尺寸测量、薄膜厚度测定以及电路图案制造等。
传统的激光器可能只能发射一种或几种特定的激光频率，这限制了它们的应用范围和灵活性。同时使用呢，设备成本高不少（包括购买成本、安装成本、运行成本和维护成本。）、空间和复杂性都大增（每一种激光器都需要一定的空间，管理和操作多种激光器会增加系统的复杂性）、切换时间长（影响检测的效率）。
但四氟硼酸胍晶体（GFB）这样的全波段相位匹配晶体，宽的相位匹配波长范围使它透光范围得到充分应用，可实现 1064nm 激光器二、三、四、五倍频高效、大能量输出。使用不同频率的光可以提供不同的检测和操作能力。例如，较低频率（红光）的激光可以穿透晶圆，用于检测内部的缺陷，而较高频率（蓝光或紫外光）的激光可以提供更精细的表面检测或微细加工能力。
展望未来，在老美制裁升级背景下，本土晶圆厂加速国产设备导入，量/检测设备有望迎来国产替代最佳窗口期。由于晶圆生产附加值极高，半导体检测设备在半导体产业中的地位日益凸显。晶圆检测里光学检测是绝对重点，市场需求较为广阔。
②光通信与激光雷达。
在光纤通信中，GFB晶体可能有助于改善信号质量，或者在激光雷达（LiDAR）中，GFB晶体可能有助于提高探测精度和距离。
首先，GFB晶体能实现全波段相位匹配，这意味着它可以有效地转换更宽范围的波长。这种波长范围的扩展可能对于一些特殊的通信系统 或者LiDAR系统有所帮助，例如需要使用不常用波长的系统。
其次，GFB晶体可以实现高效、大能量的倍频输出，包括二、三、四、五倍频，生成多种特殊波长的激光。高效的频率转换和高能量输出可能有助于提高激光雷达的测距精度，或者提高光纤通信的传输距离和速率。
最后，GFB晶体可以采用水溶液法生长出高质量、超大尺寸的晶体，生长成本低，有绝对的成本优势。这对于需要大量晶体的通信网络或大规模的LiDAR系统可能具有重要的经济意义。
虽然说，现有的非线性光学晶体确实已经在许多领域得到了广泛的应用，但是新型的GFB晶体因为其独特的性能，可能会在一些特定的应用场景中展现出更好的性能。同时，GFB晶体的开发和应用也可能推动相关技术的进一步创新和发展。
光通讯和激光雷达的发展迅猛。光模块成本构成，芯片成本占60-70%，光芯片及组件占50%，比重最大。激光雷达主要由激光发射、激光接收、信息处理、扫描系统组成，对应激光器、探测器、信息处理、光学成本占比预计分别约30%、20%-30%、30%-40%、10%。
GFB晶体市场空间广阔。
③高精科研
基于输出的波长，我们还可以预期GFB晶体在荧光显微成像技术和激光打标等领域得到实际应用。荧光显微成像结合荧光激发和显微技术，在生命科学、生物医学、临床医学诊断和材料科学等领域有着非常广泛的应用，但由于光学衍射极限的存在，传统光学显微镜无法观察到纳米尺度的物质及生命活动，极大地限制了科学研究和医学发展。而GFB晶体输出的高功率266纳米激光可提高显微成像分辨率，进而助力实现单分子水平检测。
同时，GFB晶体输出的266纳米紫外激光由于聚焦光斑极小，且加工热影响区小，因而可以进行超精细打标、特殊材料打标，会成为对打标效果有更高要求客户的可选产品。
GFB晶体还会用于大型激光装置，例如高功率激光器和粒子加速器，这些装置需要产生和控制特定波长的激光，而GFB晶体可以有效地转换激光的波长，提供所需的特定波长。
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