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潘世烈课题组:新一代深紫外非线性光学晶体材料

2017-09-28

潘世烈课题组:新一代深紫外非线性光学晶体材料

中科院新疆理化所潘世烈团队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。成功设计并合成出了NH4B4O6F (ABF)块状晶体,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。

非线性光学晶体在激光光场作用下会产生诸如倍频、混频和参量振荡与放大等非线性光学现象,因而能够极大地拓展激光的应用范围。这类晶体材料是全固态激光器频率变换的核心,在光学、通讯、医疗、军事等领域发挥着越来越重要的作用。目前,用于紫外-可见光波段频率变换的非线性光学晶体已经广泛商业化,但仍缺乏用于深紫外(波长< 200 nm)波段的非线性光学材料。

迄今为止,只有我国科学家发明的KBe2BO3F2 (KBBF) 晶体能在实际应用中直接倍频输出深紫外激光。基于KBBF晶体,我国科学家成功研制了深紫外激光拉曼光谱仪、深紫外激光光化学反应仪等一系列我国独有的深紫外固态激光源设备,并已在石墨烯、高温超导、拓扑绝缘体和宽禁带半导体等众多前沿科学研究中获得了重要应用。由于KBBF晶体具有层状生长习性,获得大尺寸晶体难度很大,此外,KBBF原料中含有剧毒的氧化铍,一定程度上影响了它的工业化制备。因此,世界各国科研机构都在积极探索发展新一代深紫外非线性光学晶体材料。

由于实际应用中对晶体材料苛刻的性能要求,发展满足需求的新型深紫外非线性光学晶体材料存在很多困难。其关键问题在于新材料需要同时满足“深紫外透过截止边、大倍频效应和合适双折射率”三个性能指标。然而,这三个基本指标往往是相互制约的。

最近,新疆理化所中科院特殊环境功能材料与器件重点实验室的潘世烈研究员团队在探索深紫外非线性光学晶体材料方面取得了重要进展。他们通过系统总结含卤素硼酸盐体系材料的特点,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晶体。在该工作基础上,课题组借鉴KBBF晶体的结构特征,进一步通过以NH4+替代K+,(BO3F)4-替代(BeO3F)5-,成功设计并合成出了NH4B4O6F (ABF)晶体。相关研究成果发表在Journal of the American Chemical Society [139(31),10645-10648 (2017)]上。

(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

上图(a)显示该材料具有非常短的紫外截止边(156 nm)、(b)较大的倍频系数(3×KDP)、(c)适中的双折射,能够满足深紫外相位匹配(最短匹配波长158 nm)。与KBBF相比,ABF的晶体结构更加紧凑,层间作用力显著增强,获得了块状晶体。另外,ABF晶体的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。

根据前期实验结果,该团队将进一步优化晶体生长工艺,提高晶体尺寸,制备光学器件,以期实现直接倍频深紫外激光输出。

论文链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.7b05943