新疆理化所下一代深紫外非線性光學晶體材料研究獲突破

     近期，中國科學院新疆理化技術研究所中科院特殊環(huán)境功能材料與器件重點實驗室潘世烈課題組通過系統(tǒng)總結含鹵素硼酸鹽體系(Coord. Chem. Rev. 2016, 323, 15)，基于材料模擬方法提出了一種將(BO3F)4-功能基團引入硼酸鹽框架的設計策略；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)。
 　　(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
 　　深紫外(λ < 200 nm)非線性光學(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。目前只有我國科學家陳創(chuàng)天等發(fā)明KBe2BO3F2 (KBBF) 晶體能在實際中直接倍頻輸出深紫外激光。KBBF晶體已經被我國用于發(fā)展一系列獨有的相關深紫外固體激光技術和激光源裝備，并在眾多前沿科學研究中獲得了重要應用。
 　　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、存在嚴重的層狀生長習性，從而極大地制約了其商業(yè)化生產和應用進程。因此，世界各國科研機構都在積極探索發(fā)展新一代的深紫外NLO晶體材料。
 　　探索新型深紫外NLO晶體的關鍵科學問題在于新材料需要同時滿足“深紫外透過-大倍頻效應-較大雙折射”相互矛盾性能指標。中國科學院新疆理化技術研究所中科院特殊環(huán)境功能材料與器件重點實驗室潘世烈課題組近期通過系統(tǒng)總結含鹵素硼酸鹽體系(Coord. Chem. Rev. 2016, 323, 15)，基于材料模擬方法提出了一種將(BO3F)4-功能基團引入硼酸鹽框架的設計策略；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)。
 　　在此工作基礎上，科研人員借鑒KBBF晶體的結構特征，進一步通過以NH4+替代K+，(BO3F)4-替代(BeO3F)5-，成功設計合成了NH4B4O6F(ABF)晶體。實驗證明，該材料具有非常短的紫外截止邊(156nm)，較大的倍頻系數(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158nm)。同時，與KBBF相比，ABF的晶體結構更加緊湊，層間作用力顯著增強，從而消除了層狀生長習性，獲得了厘米級的晶體。此外，該材料原料不含劇毒鈹元素，且倍頻效應是KBBF的2.5倍，用于深紫外激光光源可獲得更高的轉換效率。ABF綜合性能優(yōu)異，有望成為下一代深紫外NLO晶體。
 　　相關研究成果發(fā)表在《美國化學會志》(J. Am. Chem. Soc.，2017, DOI: 10.1021/jacs.7b05943)上。該研究成果受到國家自然科學基金委、中科院和新疆科技廳等單位的大力支持。
 　　編輯點評
 　　深紫外非線性光學晶體是獲得全固態(tài)深紫外激光的必不可少的晶體材料，在眾多前沿科學研究中有著重要應用。然而，其自身的缺陷嚴重制約著其商業(yè)化生產和應用進程，中國科學院新疆理化技術研究所成功篩選出一系列很有潛力的含氟硼酸鋰深紫外NLO晶體，將為我國前沿科學研究領域提供幫助。