課題組照片

 

非線性光學晶體在激光光場作用下會產生諸如倍頻、混頻和參量振蕩與放大等非線性光學現象，因而能夠極大地拓展激光的應用范圍。這類晶體材料是全固態激光器頻率變換的核心，在光學、通訊、醫療、軍事等領域發揮著越來越重要的作用。目前，用于紫外-可見光波段頻率變換的非線性光學晶體已經廣泛商業化，但仍缺乏用于深紫外（波長< 200 nm）波段的非線性光學材料。

       
迄今為止，只有我國科學家發明的KBe2BO3F2(KBBF) 晶體能在實際應用中直接倍頻輸出深紫外激光。基于KBBF晶體，我國科學家成功研制了深紫外激光拉曼光譜儀、深紫外激光光化學反應儀等一系列我國獨有的深紫外固態激光源設備，并已在石墨烯、高溫超導、拓撲絕緣體和寬禁帶半導體等眾多前沿科學研究中獲得了重要應用。由于KBBF晶體具有層狀生長習性，獲得大尺寸晶體難度很大，此外，KBBF原料中含有劇毒的氧化鈹，一定程度上影響了它的工業化制備。因此，世界各國科研機構都在積極探索發展新一代深紫外非線性光學晶體材料。

 

由于實際應用中對晶體材料苛刻的性能要求，發展滿足需求的新型深紫外非線性光學晶體材料存在很多困難。其關鍵問題在于新材料需要同時滿足“深紫外透過截止邊、大倍頻效應和合適雙折射率”三個性能指標。然而，這三個基本指標往往是相互制約的。

 

最近，新疆理化所中科院特殊環境功能材料與器件重點實驗室的潘世烈研究員團隊在探索深紫外非線性光學晶體材料方面取得了重要進展。他們通過系統總結含鹵素硼酸鹽體系材料的特點，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晶體。在該工作基礎上，課題組借鑒KBBF晶體的結構特征，進一步通過以NH4+替代K+，(BO3F)4-替代(BeO3F)5-，成功設計并合成出了NH4B4O6F(ABF)晶體。相關研究成果發表在Journal of the American Chemical Society [139(31),10645-10648(2017)]上。

 

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

 

上圖（a）顯示該材料具有非常短的紫外截止邊（156 nm）、(b)較大的倍頻系數（3×KDP）、（c）適中的雙折射，能夠滿足深紫外相位匹配（最短匹配波長158 nm）。與KBBF相比，ABF的晶體結構更加緊湊，層間作用力顯著增強，獲得了塊狀晶體。另外，ABF晶體的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。

 

根據前期實驗結果，該團隊將進一步優化晶體生長工藝，提高晶體尺寸，制備光學器件，以期實現直接倍頻深紫外激光輸出。

 

論文鏈接：

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