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下一代深紫外非线性光学晶体材料研究获突破

导读: 深紫外(λ < 200 nm)非线性光学(NLO)晶体是获得全固态深紫外激光的必不可少的晶体材料。

深紫外(λ < 200 nm)非线性光学(NLO)晶体是获得全固态深紫外激光的必不可少的晶体材料。目前只有我国科学家陈创天等发明KBe2BO3F2 (KBBF) 晶体能在实际中直接倍频输出深紫外激光。KBBF晶体已经被我国用于发展一系列独有的相关深紫外固体激光技术和激光源装备,并在众多前沿科学研究中获得了重要应用。然而,KBBF晶体存在难以克服的本征缺陷,如原料铍元素有剧毒、存在严重的层状生长习性,从而极大的制约了其商业化生产和应用进程。因此,世界各国科研机构都在积极探索发展新一代的深紫外NLO晶体材料。

探索新型深紫外NLO晶体的关键科学问题在于新材料需要同时满足“深紫外透过-大倍频效应-较大双折射”相互矛盾性能指标。中国科学院新疆理化技术研究所中科院特殊环境功能材料与器件重点实验室潘世烈课题组近期通过系统总结含卤素硼酸盐体系(Coord. Chem. Rev. 2016, 323, 15),基于材料模拟方法提出了一种将(BO3F)4-功能基团引入硼酸盐框架的设计策略;基于该策略,成功筛选出一系列很有潜力的含氟硼酸锂深紫外NLO晶体(Angew. Chem. Int. Ed.2017, 56, 3916)。在此工作基础上,科研人员借鉴KBBF晶体的结构特征,进一步通过以NH4+替代K+,(BO3F)4-替代(BeO3F)5-,成功设计合成了NH4B4O6F(ABF)晶体。实验证明,该材料具有非常短的紫外截止边(156nm),较大的倍频系数(3×KDP),适中的双折射能够满足深紫外相位匹配(最短匹配波长158nm)。同时,与KBBF相比,ABF的晶体结构更加紧凑,层间作用力显著增强,从而消除了层状生长习性,获得了厘米级的晶体。外,该材料原料不含剧毒铍元素,且倍频效应是KBBF的2.5倍,用于深紫外激光光源可获得更高的转换效率。ABF综合性能优异,有望成为下一代深紫外NLO晶体。

相关研究成果发表在《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc.,2017, DOI: 10.1021/jacs.7b05943)上。该研究成果受到国家基金委、中科院和新疆科技厅等单位的大力支持。

(a) ABF深紫外透过光谱;(b) 折射率色散;(c) 相位匹配区间;(d) 倍频效应

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