Ученые создали самый мощный ультрафиолетовый лазер в истории — режет атомы как масло, в 10 раз тоньше волоса

Китайские исследователи создали твердотельный лазер вакуумного ультрафиолета с рекордно короткой длиной волны. Ключевым элементом стал новый нелинейно-оптический кристалл аммоний фтороксоборат с формулой NH4BF4, который в публикациях обозначают как ABF. Проект выполнила группа Китайской академии наук под руководством Пан Шили из Синьцзянского технического института физики и химии. Подробное описание эксперимента появилось в журнале Nature.

Экспериментальная схема выдала пучок с длиной волны 158,9 нм за счет прямого удвоения частоты. Такой метод относится к нелинейной оптике и позволяет превратить исходный сигнал в колебания с удвоенной частотой при прохождении через специальную среду. При этом длина волны уменьшается вдвое. В собранной установке использованы только твердотельные элементы, без газоразрядных узлов.

Область вакуумного ультрафиолета лежит примерно между 120 и 240 нм. Эти длины волн востребованы в спектроскопии высокого разрешения, при выпуске полупроводников и в задачах квантовой физики. Долгое время развитие тормозила нехватка подходящих нелинейных сред. Рабочее вещество должно одновременно пропускать коротковолновое излучение, давать сильный отклик на внешнее поле и поддерживать фазовое согласование, иначе эффективность преобразования резко падает.

До сих пор практически единственным вариантом для прямого удвоения частоты ниже 200 нм считался фтороборат бериллия калия, известный как KBBF. Он обеспечивает нужные параметры, но доставляет много проблем при выращивании и изготовлении оптических деталей. Соединение ABF, по данным авторов, лишено части этих ограничений. Оно объединяет прозрачность в нужном диапазоне, высокий нелинейный отклик и достаточное двулучепреломление, которое необходимо для фазовой подстройки на сверхкоротких волнах.

Работа над ABF заняла больше десяти лет. Первые образцы получили в 2016 году, после чего специалисты добились роста кристаллов сантиметрового масштаба с хорошей оптической однородностью. Такие заготовки уже подходят не только для лабораторных демонстраций, но и для практических приборов. При конструировании структуры в борооксидную решетку добавили фтор и подобрали пространственную конфигурацию. Параллельно команда предложила общую стратегию поиска новых нелинейных сред для этого диапазона.

Кроме рекордной длины волны система показала энергию наносекундного импульса 4,8 мДж и коэффициент преобразования около 6%. Авторы указывают, что такие показатели стали максимальными для источников вакуумного ультрафиолета, полученных через генерацию второй гармоники. Более короткие волны несут более энергичные кванты, поэтому открываются дополнительные прикладные сценарии.

Возможные направления использования разработчики связывают с квантовыми технологиями, космической аппаратурой, производством микросхем и точной обработкой материалов. В квантовых экспериментах такое излучение применяют для тонкой настройки энергетических уровней атомов и ионов. Подобные операции важны для вычислительных платформ нового поколения и для высокоточных спектральных измерений.

Дальнейшая отработка методов выращивания и обработки кристаллических заготовок должна улучшить параметры установки. Команда ожидает, что прямые твердотельные источники вакуумного ультрафиолета со временем найдут применение и в новых системах связи, включая космические каналы.