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近日，北方工业大学机械与材料工程学院焦志伟教授团队在真空紫外（VUV）非线性光学晶体研究方面取得重要进展。团队采用顶部籽晶溶液法（TSSG）成功生长出可用于连续波真空紫外（VUV）光源的四硼酸锶（SBO）含畴单晶体，并与清华大学丁世谦教授团队合作，通过RQPM方式实现148.4 nm连续波VUV激光的有效输出，为我国核钟工程化提供自主可控的核心光学材料支撑。

钍-229（²²⁹Th）核跃迁能量约为8.4 eV，对应波长约148.4 nm，该波段激光光源是建立核光钟的重要基础。实现该波长的窄线宽连续VUV光源，对于核共振激发、频率稳定和核钟运行具有重要意义。近年来，基于非线性晶体的连续波VUV产生方案受到广泛关注，其中SBO晶体凭借真空紫外高透过性和含畴结构特性，在真空紫外倍频输出方面展现出良好的应用前景。

图为团队生长的SBO晶体

焦志伟教授长期深耕非线性光学晶体生长与性能研究，自2011年起便带领团队开展SBO晶体的生长制备工作。晶体生长通常要付出极大的努力与耐心，经历反复调试与等待，才能最终获得一块高品质的单晶。十余年来，团队甘坐“冷板凳”，围绕晶体中畴结构的衍生、增殖与湮灭等关键过程开展了系统而深入的研究，积累了扎实的晶体制备基础。当国家核钟研发对全固态光源提出迫切需求时，团队能够及时提供自主生长的SBO晶体，满足了148.4 nm真空紫外光源的倍频输出需求，为全固态核钟光源提供了实用化的晶体倍频方案。

应用研究背景：

真空紫外（VUV，10-200nm）激光光源因波长短、光子能量高、空间分辨率高、热效应极小，是高端制造、前沿科研、国防安全、生命健康领域的核心支撑光源，是国家战略性光量子技术的关键组成部分。

在此背景下，钍-229 核光钟对 148.4nm 真空紫外激光的刚性需求，将真空紫外光源的技术挑战推向极致。时间频率基准是国家战略科技力量的核心载体，决定着导航定位、深空探测、基础物理检验、量子精密测量的精度上限。当前主流铯原子钟、光学原子钟已实现10⁻¹⁸量级不确定度，但受原子外层电子易受电磁、温度、振动等环境扰动的固有局限，进一步提升精度面临物理瓶颈。钍- 229 核光钟以原子核低能态跃迁为计时基准，原子核尺寸小、质量大、内部能级受外界干扰极弱，理论频率不确定度可达10⁻¹⁹~10⁻²⁰量级，较现有原子钟提升 1-2 个数量级，是下一代国际时间频率基准的首选方案，也是全球量子科技竞争的战略制高点。

四硼酸锶晶体具有非常优异的非线性光学性能，晶体具有极短的紫外透过截止波长（＜125nm），高的光损伤域值（≈1.6Id/LBO）和较大的非线性光学系数（3.5 pm/V），是可通过畴结构调控实现全固态核钟所需148.4 nm 相干光源的优秀晶体材料。

相关论文链接：

https://arxiv.org/abs/2610.06477

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925346724006165

http://rgjtxb.jtxb.cn/CN/Y2015/V44/I2/301#MetricsTab

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022369711000163

编辑：左芳舟