Para ilmuwan dari Chinese Academy of Sciences (CAS) berhasil mengembangkan kristal ABF baru bernama NH₄B₄O₆F. Kristal ini menandai kemajuan signifikan di bidang cahaya laser ultraviolet vakum (VUV). Mereka capai panjang gelombang terpendek 158,9 nm melalui second harmonic generation (SHG) langsung dengan phase-matching birefringent. Prestasi ini pecah rekor energi pulsa nanosecond tertinggi 4,8 mJ pada 177,3 nm serta efisiensi konversi 5,9%.
Kristal ABF mengatasi keterbatasan material sebelumnya seperti KBBF. Ia menawarkan transparansi VUV luar biasa, koefisien nonlinear optik kuat, birefringence besar, ukuran sentimeter, stabilitas kimia-fisika tinggi, ambang kerusakan laser tinggi, serta prosesabilitas bagus. Terobosan ini buka jalan bagi laser VUV padat-state kompak dan efisien. Teknologi ini dukung aplikasi presisi seperti litografi semikonduktor, spektroskopi canggih, penelitian kuantum, serta manufaktur chip generasi berikutnya.
Apa Itu Laser Ultraviolet Vakum (VUV) dan Mengapa Sangat Penting?
Laser VUV beroperasi pada rentang panjang gelombang 100–200 nm. Cahaya ini bawa energi foton tinggi yang mampu memutus ikatan molekul atau atom dengan presisi tinggi. Berbeda dengan UV biasa, VUV mudah terserap atmosfer sehingga butuh kondisi vakum untuk propagasi. Properti ini buatnya ideal untuk eksperimen sensitif yang tak tergantikan oleh sumber cahaya lain.
Aplikasi utama meliputi diagnostik plasma, generasi harmonik tinggi, spektroskopi fotoemisi resolusi tinggi (ARPES), serta litografi EUV/VUV untuk node chip di bawah 3 nm. Di penelitian kuantum, laser VUV kontrol tingkat energi atom-ion secara tepat. Industri semikonduktor gunakan VUV untuk etching dan inspeksi permukaan ultra-halus. Ruang angkasa dan fisika tinggi juga manfaatkan VUV untuk monitoring radiasi matahari atau deteksi materi gelap.
Tanpa material NLO berkualitas, sumber VUV tetap bergantung synchrotron mahal atau laser gas besar. Kristal ABF ubah paradigma ini menuju sumber all-solid-state portabel berdaya tinggi.
Sejarah Pengembangan Kristal Nonlinear Optik untuk Laser VUV
Ilmuwan China telah mengembangkan potassium beryllium fluoroborate (KBBF), kristal praktis pertama untuk output di bawah 200 nm melalui SHG langsung, sejak 1990-an. Meskipun memiliki beberapa kelemahan, KBBF telah digunakan secara luas selama bertahun-tahun. Ini termasuk berilium yang berbahaya, sulit untuk tumbuh ukuran besar, higroskopis, dan terbatas pada sudut phase-matching untuk panjang gelombang yang sangat pendek.
Selama bertahun-tahun, para ilmuwan telah mencari pengganti yang memenuhi semua kriteria sekaligus. Mereka harus memiliki transparansi VUV tinggi, koefisien NLO yang kuat, birefringence yang mencukupi untuk menyamakan fase, ukuran skala cm, stabilitas, ambang kerusakan tinggi, dan mudah diproses. Banyak calon gagal dalam satu atau lebih hal ini. Dengan menggunakan pendekatan inovatif untuk fluorinasi sistem borat, tim Prof. Pan Shilie mengatasi masalah tersebut. Untuk meningkatkan properti asimetris dan respons NLO, mereka mengatur susunan grup fluorooxoborat.
Pengenalan Kristal ABF dan Tim Peneliti
Kristal ABF (NH₄B₄O₆F) dikembangkan tim riset dipimpin Prof. Pan Shilie di Xinjiang Technical Institute of Physics and Chemistry, CAS. Formula kimianya mengintegrasikan atom fluorin ke dalam kerangka borat, bentuk unit [BO₃F] yang ciptakan sublattice asimetris. Hal ini tingkatkan koefisien SHG efektif d₃₂ sekitar 1,09 pm/V.
Struktur kristal ABF hasilkan birefringence besar yang cukup untuk phase-matching hingga 158,9 nm. Ia transparan sangat baik di daerah VUV, stabil secara kimia, serta tahan terhadap kerusakan laser intens. Ukuran sentimeter yang berhasil ditumbuhkan memungkinkan fabrikasi perangkat dengan sudut phase-matching spesifik seperti (θ, φ) = (90°, 70°) atau (90°, 40°).
Prestasi Utama Kristal ABF: Rekor Panjang Gelombang dan Performa
Tim capai output SHG tunable dari 158,9 nm hingga 340,2 nm. Rekor terpendek 158,9 nm jadi benchmark baru untuk birefringent phase-matching di VUV. Pada 177,3 nm, mereka hasilkan energi pulsa nanosecond maksimum 4,8 mJ dengan efisiensi konversi 5,9% – rekor tertinggi yang pernah dilaporkan untuk perangkat SHG VUV.
Performa ini unggul dibanding KBBF di rentang tertentu. Koefisien NLO efektif ABF lebih tinggi pada konversi 386 → 193 nm dan 355 → 177,5 nm. Output stabil dan tunabel buka peluang eksperimen baru yang sebelumnya sulit.
Keunggulan Teknis ABF Dibandingkan Kristal Pendahulu
ABF penuhi semua syarat praktis sekaligus yang tak dimiliki satu kristal pun sebelumnya. Transparansi VUV-nya luar biasa, NLO coefficient kuat, birefringence memadai untuk phase-matching pendek, ukuran besar memungkinkan perangkat nyata, stabilitas tinggi, ambang kerusakan laser tinggi, serta prosesabilitas anisotropic yang maju.
KBBF, meski pionir, terbatas oleh toksisitas berilium, kesulitan tumbuh besar, serta absorpsi yang membatasi panjang gelombang terpendek efektif. ABF bebas berilium, lebih stabil, dan skalabel. Perbandingan tabel properti kunci (dari data Nature) tunjukkan ABF unggul di hampir semua metrik krusial.
Mekanisme Kerja: Second Harmonic Generation dan Phase-Matching
SHG terjadi ketika dua foton frekuensi ω bergabung jadi satu foton 2ω di medium nonlinear. Untuk efisien, phase-matching harus terpenuhi agar gelombang fundamental dan harmonik kedua tetap sinkron sepanjang kristal. ABF gunakan birefringence (n_o ≠ n_e) untuk kompensasi dispersi material.
Perhitungan Sellmeier equation dan teknik Maker fringe konfirmasi kemampuan phase-matching hingga 158,9 nm. Unit fluorooxoborat optimalkan susunan anionik asimetris, tingkatkan tensor SHG. Simulasi ab initio (ELF, Laplacian charge density) jelaskan kontribusi orbital terhadap respons nonlinear.
Proses Pertumbuhan dan Fabrikasi Kristal ABF
Tim kuasai teknik pertumbuhan berkualitas tinggi ukuran sentimeter. Mereka atasi tantangan teknis lama dalam skala besar dan fabrikasi perangkat. Pemrosesan anisotropic presisi hasilkan permukaan optik berkualitas untuk sudut phase-matching akurat. Kualitas optik tinggi minim scatter dan absorpsi tak diinginkan, sehingga efisiensi SHG maksimal.
Aplikasi Potensial Laser VUV Berbasis Kristal ABF
Laser VUV kompak dari ABF revolusi berbagai bidang:
• Litografi semikonduktor: ukir fitur sub-10 nm lebih efisien dan murah daripada synchrotron. • Spektroskopi canggih: ARPES, XPS, dan photoionization mass spectrometry (PIMS) dengan resolusi tinggi. • Penelitian kuantum: kontrol atom-ion presisi, komputasi kuantum, serta sensor kuantum. • Diagnostik plasma dan high harmonic generation: studi dinamika ultrafast. • Manufaktur presisi: micromachining material, inspeksi permukaan, serta pemrosesan kimia selektif. • Aplikasi ruang angkasa: komunikasi VUV masa depan dan monitoring lingkungan ekstrem.
Potensi komersial tinggi karena sumber all-solid-state lebih portabel, hemat energi, serta skalabel dibanding teknologi lama.
Tantangan dan Prospek Pengembangan Masa Depan
Meski sukses besar, tantangan tetap ada. Perbaikan kualitas kristal lebih lanjut serta fabrikasi perangkat presisi bisa tingkatkan energi pulsa dan efisiensi di atas 5,9%. Skalabilitas produksi massal, integrasi dengan laser pump efisien, serta pengemasan vakum kompak jadi fokus berikutnya.
Tim rencana stabilkan pertumbuhan, eksplorasi panjang gelombang lebih pendek, serta daya lebih tinggi. Kolaborasi internasional akan percepat adopsi industri. Di masa depan, laser VUV berbasis ABF gantikan sumber besar dengan perangkat meja laboratorium.
Dampak Global dan Posisi Kepemimpinan China
Prestasi ini perkuat posisi China sebagai pemimpin dunia di material NLO VUV kunci. Publikasi di Nature tunjukkan kontribusi signifikan terhadap ilmu material global. Bagi negara berkembang seperti Indonesia, teknologi ini buka peluang kolaborasi riset, transfer teknologi litografi, serta pengembangan industri semikonduktor domestik di era AI dan 6G.
Kesimpulan
Kristal ABF mewakili lompatan besar dalam teknologi laser. Dengan capai 158,9 nm, energi pulsa rekor, serta properti unggul, kristal ini siap transformasi VUV laser jadi lebih aksesibel dan powerful. Aplikasinya akan dorong inovasi di semikonduktor, kuantum, spektroskopi, serta manufaktur presisi.
Ikuti perkembangan riset ini dan eksplorasi publikasi Nature untuk detail lebih dalam. Masa depan cahaya laser ultraviolet vakum kini lebih cerah berkat kristal ABF.
