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作者及机构
本研究由Yasunori Tanaka（大阪大学工学研究科）领衔，联合大阪大学激光工程研究所、尼康株式会社、大阪工业大学电子信息系统工程系以及Sosho Choko株式会社等机构的多位研究者共同完成。研究成果发表于2020年9月28日的《Optics Express》期刊（卷28，期20）。

学术背景
研究领域聚焦于深紫外（Deep Ultraviolet, DUV）激光系统的光学窗口材料开发。随着物联网（IoT）和高端制造业的发展，高功率DUV激光器在电子、航空等领域的应用需求激增。然而，传统材料如合成石英玻璃（synthetic silica glass）和氟化钙晶体（CaF₂）存在明显缺陷：前者因双光子吸收效应易受激光损伤，后者机械强度和热稳定性不足。因此，寻找具有高激光诱导损伤阈值（Laser-Induced Damage Threshold, LIDT）的新材料成为迫切需求。

硼酸锶（SrB₄O₇, SBO）晶体因其非吸湿性、130 nm以下的深紫外透明性及高非线性特性被列为候选材料。此前，团队已证实SBO晶体在266 nm激光辐照下具有优异的体损伤抗性，但表面损伤机制尚未明确。本研究旨在评估SBO晶体的表面LIDT，并通过催化剂辅助刻蚀（Catalyst-Referred Etching, CARE）技术提升其性能，以验证其作为DUV光学窗口材料的可行性。

研究流程与方法
1. 样品制备与表征
- 晶体生长：采用Kyropoulos法沿a轴生长SBO单晶，平均生长速率1.1 mm/天。切割得到尺寸为15 mm (a) × 5.0 mm (b) × 15 mm ©的(020)晶面样品，经机械抛光至光学级表面粗糙度（RMS=0.35 nm）。
- 对比材料：商用UV级合成石英玻璃（Tosoh ESL-1）和CaF₂晶体（Sigma Koki OPCFU-30C02-P）作为对照组，其RMS粗糙度分别为0.84 nm和0.84 nm。

1. 表面LIDT测试

   • 实验装置：使用Nd:YAG激光器（波长266 nm，脉宽5 ns）进行单次辐照（1-on-1测试），激光束直径170 µm，高斯能量分布。
     
   • 损伤判定：依据ISO 21254-2标准，通过概率法确定LIDT（零损伤概率对应的最高能量密度）。每组样品测试40个辐照点，能量密度范围4.25–48.24 J/cm²。
     

2. CARE表面处理

   • 刻蚀工艺：以铂（Pt）为催化剂，去离子水为刻蚀液，对SBO晶体(020)面进行3小时刻蚀，去除速率364 nm/h。
     
   • 表面分析：原子力显微镜（AFM）显示刻蚀后表面形成阶梯-平台结构（step-and-terrace），台阶高度约0.20 nm（对应b轴晶格常数的1/5），RMS粗糙度降至0.33 nm。
     

3. 损伤形貌分析

   • 光学显微镜观察：对比辐照后表面形貌，合成石英玻璃呈现“灰色雾霾”（gray haze），CaF₂表现为热裂痕，而SBO晶体损伤区域特征不明显。
     

主要结果
1. LIDT性能
- 原始SBO晶体的表面LIDT达16.4±0.1 J/cm²，分别为合成石英玻璃（4.8±0.1 J/cm²）和CaF₂（11.4±0.2 J/cm²）的3.4倍和1.4倍。
- CARE处理后，SBO的LIDT进一步提升至24.1±0.8 J/cm²，较未处理晶体提高1.4倍，且为石英玻璃的6.0倍。

1. 损伤机制差异
   
   • 合成石英玻璃的损伤源于抛光残留物对激光的吸收；CaF₂因热解理性易开裂；SBO则因化学稳定性高，表面损伤轻微。
     
   • CARE处理有效去除了机械抛光残留的磨料，减少了激光吸收点，从而显著提升LIDT。
     

结论与价值
本研究证实SBO晶体在DUV波段具有卓越的表面损伤抗性，CARE技术可进一步优化其性能。其科学价值在于：
1. 材料创新：首次系统评估SBO晶体的表面LIDT，并揭示其优于传统材料的机制。
2. 工艺突破：通过CARE实现原子级平整表面，为光学材料加工提供新思路。
3. 应用前景：SBO晶体可作为高功率DUV激光器（如半导体光刻、精密加工）的理想窗口材料，解决现有材料的瓶颈问题。

研究亮点
1. 高阈值损伤抗性：SBO的LIDT（24.1 J/cm²）为目前报道的DUV材料最高值之一。
2. 跨学科方法：结合晶体生长、表面工程和激光物理，提出“材料-工艺-性能”协同优化策略。
3. 技术普适性：CARE工艺可推广至其他硬脆光学材料（如SiC、GaN）的超精密加工。

其他发现
- 阶梯-平台结构的形成表明CARE过程中催化剂选择性刻蚀凸起部位，符合化学去除机制。
- 未来需深入研究SBO在更高能量密度下的损伤形态及长期稳定性。