什么樣的材料 需要美國花數十年突破中國的技術封鎖？

前段時間，國內出現了一則”匪夷所思“的新聞：服務于美軍激光武器開發的APC（先進光學晶體）公司宣布終于突破中國的技術封鎖，掌握了氟代硼鈹酸鉀晶體（KBBF）工藝。網友們大呼，這是不是拿錯了劇本啊！

你沒看錯！中國確實在2009年對美國禁運了KBBF晶體。也是中國第一次在高科技領域對外說“不”！

這到底是什么材料，這么牛逼？

要講KBBF晶體，首先要講它的應用領域——激光器。這是國家為什么要封鎖，而美國為什么要突破封鎖的原因。

激光，英文名是Light?Amplification?of?Stimulated?Emission?of?Radiation。呵呵，名字是不是很長?我們一般用縮寫laser來代替。說到laser的中文名，國內科學家可是傷透了腦筋，最后還是錢學森先生建議用“激光”這個詞。

簡單來說，高能級粒子在輻射場作用下，躍遷到低能級，同時對外輻射光子，就是激光。受激輻射的光子和外來輻射光子的傳播方向、頻率等等都是相同的，但是數量增多了，這就是所謂光被放大了。

激光器工作示意圖

上圖是激光器的結構示意圖。正中央的工作物質是激光器的核心，是激光器產生光的受激輻射放大的關鍵。根據工作物質的不同，激光器可以分為氣體激光器，以氣體和金屬蒸汽作為工作物質；固體激光器，以晶體或者玻璃基體摻雜離子為工作物質；半導體激光器，以半導體材料為工作物質；液體激光器，以化合物液體作為工作物質。當然，還有其他工作物質的激光器。

前面說到，工作物質是激光器的核心，也不是我們搞材料的往臉上貼金。它是能否產生激光的物質前提，必須有一個能儲存大量粒子的亞穩態能級。而且工作物質決定了激光的光譜特性。

理論最早可以追溯到1916年，但激光真正誕生卻晚幾十年。1960年，第一臺紅寶石（Cr：Al2O3）晶體激光器問世，?激光才誕生。紅寶石的主要成分是Al2O3、Cr2O3。Al2O3僅作為基體材料，三價Cr離子才是激活離子，是紅寶石產生激光的“主體”。決定激光特性的是三價Cr離子。在室溫下，紅寶石激光器輸出的是694.3nm的紅光。

在找到紅寶石作為工作物質之后，人們又陸續發現了其他材料，如釔鋁石榴石、釓鎵石榴石、釩酸釔。但盡管材料在增多，激光的波長范圍卻沒有完全覆蓋掉從紫外到紅外的整個光譜范圍。

那問題來了，為什么我們要讓激光波長范圍覆蓋到紫外、紅外的整個光譜范圍呢？有紅光不就OK了嗎？不同的激光源，有不同的用途。光刻技術和微、納米精細激光加工的發展，以及超高能量分辨率光電子能譜儀和光電 子發射顯微鏡等現代化儀器的發展，都在呼喚深紫外激光。

但要得到紫外，尤其是深紫外激光還是非常難的。20世紀90年代，科學家將獲得200nm以下深紫外相干光看做是一個壁壘。因為受到激活離子能級的限制很難直接產生深紫外激光。所以人們進一步研究、尋找具有改變激光頻率特性的材料——非線性光學晶體，?利用這類晶體進行倍頻、和頻、參量振蕩等光學變換來實現紫外、深紫外激光。

那么問題又歸結到找到能使用倍頻方法產生深紫外相干光源的非線性光學晶體。這樣的非線性光學晶體，一般要滿足以下兩個要求：

l)晶體在紫外區的截止邊 , 至少應達到150nm附近；(2)晶體必須具有大的雙折射率 , 從而能實現寬波段的相位匹配。

終于，1995年由中科院陳創天院士及其團隊宣布，其研發的KBBF晶體（KBe2BO3F2），在國際上首次使用倍頻方法 , 獲得了184.7nm深紫外相干光輸出，打破了200nm壁壘。KBBF也是第一種可用直接倍頻法產生深紫外波段激光的非線性光學晶體。

KBBF晶體結構

雖然KBBF晶體是1995年正式宣布實現深紫外激光光源輸出，但實際應用還有好幾年。為了實現應用，后面還發展了棱鏡耦合技術，并與山大晶體所對生長工藝改進獲得18mm厚的單晶，才最終推動了其應用。到了2001年，中科院理化所與東京大學物性所合作使用?KBBF棱鏡藕合倍頻器件,?在國際上首次實現了200-179nm的深紫外倍頻光有效功率輸出。

2013年，消息傳出中科院打造了一批深紫外激光器設備，據稱已應用在高溫超導、拓撲絕緣體、石墨烯、超寬禁帶半導體、新型光刻膠等新材料物性以及表面物理/化學、催化機理、納米體系等前沿領域。當時的宣傳稱我國成為全球唯一能夠制造實用化深紫外全固態激光器的國家。

除了KBBF外，中國在非線性光學晶體還有其他拳頭產品。在20世紀90年代，國際學術界將BBO、LBO、KBBF三種晶體贊譽為”中國牌晶體“，并認為該領域是中國最有國際影響力的科學研究之一。

不過，KBBF的成就更大！相對于其他同類晶體，BBO、LBO性能都有提高，但沒有產生新的波長。只有KBBF產生了 177.3nm 的深紫外相干光。

2009年，Nature派編輯前往中國采訪，最后寫出了一篇題為"中國藏匿的晶體“的報道。當時，美國國內認為中國禁運KBBF，將對美國相關領域的研究產生嚴重影響，呼吁美國自主研制KBBF。但是直到前段時間，美國才傳出消息，他們已制造出可與中國同類產品性能相當，價格更低的晶體。于是有了開頭的那篇新聞。

材料人網會員itmen供稿，材料牛編輯整理。