什么样的材料 需要美国花数十年突破中国的技术封锁？

前段时间，国内出现了一则”匪夷所思“的新闻：服务于美军激光武器开发的APC（先进光学晶体）公司宣布终于突破中国的技术封锁，掌握了氟代硼铍酸钾晶体（KBBF）工艺。网友们大呼，这是不是拿错了剧本啊！

你没看错！中国确实在2009年对美国禁运了KBBF晶体。也是中国第一次在高科技领域对外说“不”！

这到底是什么材料，这么牛逼？

要讲KBBF晶体，首先要讲它的应用领域——激光器。这是国家为什么要封锁，而美国为什么要突破封锁的原因。

激光，英文名是Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation。呵呵，名字是不是很长?我们一般用缩写laser来代替。说到laser的中文名，国内科学家可是伤透了脑筋，最后还是钱学森先生建议用“激光”这个词。

简单来说，高能级粒子在辐射场作用下，跃迁到低能级，同时对外辐射光子，就是激光。受激辐射的光子和外来辐射光子的传播方向、频率等等都是相同的，但是数量增多了，这就是所谓光被放大了。

激光器工作示意图

上图是激光器的结构示意图。正中央的工作物质是激光器的核心，是激光器产生光的受激辐射放大的关键。根据工作物质的不同，激光器可以分为气体激光器，以气体和金属蒸汽作为工作物质；固体激光器，以晶体或者玻璃基体掺杂离子为工作物质；半导体激光器，以半导体材料为工作物质；液体激光器，以化合物液体作为工作物质。当然，还有其他工作物质的激光器。

前面说到，工作物质是激光器的核心，也不是我们搞材料的往脸上贴金。它是能否产生激光的物质前提，必须有一个能储存大量粒子的亚稳态能级。而且工作物质决定了激光的光谱特性。

理论最早可以追溯到1916年，但激光真正诞生却晚几十年。1960年，第一台红宝石（Cr：Al2O3）晶体激光器问世， 激光才诞生。红宝石的主要成分是Al2O3、Cr2O3。Al2O3仅作为基体材料，三价Cr离子才是激活离子，是红宝石产生激光的“主体”。决定激光特性的是三价Cr离子。在室温下，红宝石激光器输出的是694.3nm的红光。

在找到红宝石作为工作物质之后，人们又陆续发现了其他材料，如钇铝石榴石、钆镓石榴石、钒酸钇。但尽管材料在增多，激光的波长范围却没有完全覆盖掉从紫外到红外的整个光谱范围。

那问题来了，为什么我们要让激光波长范围覆盖到紫外、红外的整个光谱范围呢？有红光不就OK了吗？不同的激光源，有不同的用途。光刻技术和微、纳米精细激光加工的发展，以及超高能量分辨率光电子能谱仪和光电 子发射显微镜等现代化仪器的发展，都在呼唤深紫外激光。

但要得到紫外，尤其是深紫外激光还是非常难的。20世纪90年代，科学家将获得200nm以下深紫外相干光看做是一个壁垒。因为受到激活离子能级的限制很难直接产生深紫外激光。所以人们进一步研究、寻找具有改变激光频率特性的材料——非线性光学晶体， 利用这类晶体进行倍频、和频、参量振荡等光学变换来实现紫外、深紫外激光。

那么问题又归结到找到能使用倍频方法产生深紫外相干光源的非线性光学晶体。这样的非线性光学晶体，一般要满足以下两个要求：

l)晶体在紫外区的截止边 , 至少应达到150nm附近；(2)晶体必须具有大的双折射率 , 从而能实现宽波段的相位匹配。

终于，1995年由中科院陈创天院士及其团队宣布，其研发的KBBF晶体（KBe2BO3F2），在国际上首次使用倍频方法 , 获得了184.7nm深紫外相干光输出，打破了200nm壁垒。KBBF也是第一种可用直接倍频法产生深紫外波段激光的非线性光学晶体。

KBBF晶体结构

虽然KBBF晶体是1995年正式宣布实现深紫外激光光源输出，但实际应用还有好几年。为了实现应用，后面还发展了棱镜耦合技术，并与山大晶体所对生长工艺改进获得18mm厚的单晶，才最终推动了其应用。到了2001年，中科院理化所与东京大学物性所合作使用 KBBF棱镜藕合倍频器件, 在国际上首次实现了200-179nm的深紫外倍频光有效功率输出。

2013年，消息传出中科院打造了一批深紫外激光器设备，据称已应用在高温超导、拓扑绝缘体、石墨烯、超宽禁带半导体、新型光刻胶等新材料物性以及表面物理/化学、催化机理、纳米体系等前沿领域。当时的宣传称我国成为全球唯一能够制造实用化深紫外全固态激光器的国家。

除了KBBF外，中国在非线性光学晶体还有其他拳头产品。在20世纪90年代，国际学术界将BBO、LBO、KBBF三种晶体赞誉为”中国牌晶体“，并认为该领域是中国最有国际影响力的科学研究之一。

不过，KBBF的成就更大！相对于其他同类晶体，BBO、LBO性能都有提高，但没有产生新的波长。只有KBBF产生了 177.3nm 的深紫外相干光。

2009年，Nature派编辑前往中国采访，最后写出了一篇题为"中国藏匿的晶体“的报道。当时，美国国内认为中国禁运KBBF，将对美国相关领域的研究产生严重影响，呼吁美国自主研制KBBF。但是直到前段时间，美国才传出消息，他们已制造出可与中国同类产品性能相当，价格更低的晶体。于是有了开头的那篇新闻。

材料人网会员itmen供稿，材料牛编辑整理。