新疆理化所探索下一代深紫外非線性光學(xué)晶體材料研究獲突破

　　深紫外（λ < 200 nm）非線性光學(xué)（NLO）晶體是獲得全固態(tài)深紫外激光的必不可少的晶體材料。目前只有我國(guó)科學(xué)家陳創(chuàng)天等發(fā)明KBe2BO3F2 (KBBF) 晶體能在實(shí)際中直接倍頻輸出深紫外激光。KBBF晶體已經(jīng)被我國(guó)用于發(fā)展一系列獨(dú)有的相關(guān)深紫外固體激光技術(shù)和激光源裝備，并在眾多前沿科學(xué)研究中獲得了重要應(yīng)用。然而，KBBF晶體存在難以克服的本征缺陷，如原料鈹元素有劇毒、存在嚴(yán)重的層狀生長(zhǎng)習(xí)性，從而極大地制約了其商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用進(jìn)程。因此，世界各國(guó)科研機(jī)構(gòu)都在積極探索發(fā)展新一代的深紫外NLO晶體材料。 

　　探索新型深紫外NLO晶體的關(guān)鍵科學(xué)問題在于新材料需要同時(shí)滿足“深紫外透過-大倍頻效應(yīng)-較大雙折射”相互矛盾性能指標(biāo)。中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所中科院特殊環(huán)境功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室潘世烈課題組近期通過系統(tǒng)總結(jié)含鹵素硼酸鹽體系（Coord. Chem. Rev. 2016, 323, 15），基于材料模擬方法提出了一種將(BO3F)4-功能基團(tuán)引入硼酸鹽框架的設(shè)計(jì)策略；基于該策略，成功篩選出一系列很有潛力的含氟硼酸鋰深紫外NLO晶體（Angew. Chem. Int. Ed.2017, 56, 3916）。在此工作基礎(chǔ)上，科研人員借鑒KBBF晶體的結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)一步通過以NH4+替代K+，(BO3F)4-替代(BeO3F)5-，成功設(shè)計(jì)合成了NH4B4O6F(ABF)晶體。實(shí)驗(yàn)證明，該材料具有非常短的紫外截止邊（156nm），較大的倍頻系數(shù)（3×KDP），適中的雙折射能夠滿足深紫外相位匹配（最短匹配波長(zhǎng)158nm）。同時(shí)，與KBBF相比，ABF的晶體結(jié)構(gòu)更加緊湊，層間作用力顯著增強(qiáng)，從而消除了層狀生長(zhǎng)習(xí)性，獲得了厘米級(jí)的晶體。此外，該材料原料不含劇毒鈹元素，且倍頻效應(yīng)是KBBF的2.5倍，用于深紫外激光光源可獲得更高的轉(zhuǎn)換效率。ABF綜合性能優(yōu)異，有望成為下一代深紫外NLO晶體。 

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（J. Am. Chem. Soc.，2017, DOI: 10.1021/jacs.7b05943）上。該研究成果受到國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院和新疆科技廳等單位的大力支持。 

 (a) ABF深紫外透過光譜；(b) 折射率色散；(c) 相位匹配區(qū)間；(d) 倍頻效應(yīng)