中科院新疆理化所潘世烈團(tuán)隊(duì)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。成功設(shè)計(jì)并合成出了NH4B4O6F (ABF)塊狀晶體，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。
迄今為止，只有我國(guó)科學(xué)家發(fā)明的KBe2BO3F2(KBBF) 晶體能在實(shí)際應(yīng)用中直接倍頻輸出深紫外激光。基于KBBF晶體，我國(guó)科學(xué)家成功研制了深紫外激光拉曼光譜儀、深紫外激光光化學(xué)反應(yīng)儀等一系列我國(guó)獨(dú)有的深紫外固態(tài)激光源設(shè)備，并已在石墨烯、高溫超導(dǎo)、拓?fù)浣^緣體和寬禁帶半導(dǎo)體等眾多前沿科學(xué)研究中獲得了重要應(yīng)用。由于KBBF晶體具有層狀生長(zhǎng)習(xí)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(yè)化制備。因此，世界各國(guó)科研機(jī)構(gòu)都在積極探索發(fā)展新一代深紫外非線性光學(xué)晶體材料。
課題組照片
非線性光學(xué)晶體在激光光場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生諸如倍頻、混頻和參量振蕩與放大等非線性光學(xué)現(xiàn)象，因而能夠極大地拓展激光的應(yīng)用范圍。這類晶體材料是全固態(tài)激光器頻率變換的核心，在光學(xué)、通訊、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。目前，用于紫外-可見(jiàn)光波段頻率變換的非線性光學(xué)晶體已經(jīng)廣泛商業(yè)化，但仍缺乏用于深紫外（波長(zhǎng)< 200 nm）波段的非線性光學(xué)材料。
迄今為止，只有我國(guó)科學(xué)家發(fā)明的KBe2BO3F2(KBBF) 晶體能在實(shí)際應(yīng)用中直接倍頻輸出深紫外激光。基于KBBF晶體，我國(guó)科學(xué)家成功研制了深紫外激光拉曼光譜儀、深紫外激光光化學(xué)反應(yīng)儀等一系列我國(guó)獨(dú)有的深紫外固態(tài)激光源設(shè)備，并已在石墨烯、高溫超導(dǎo)、拓?fù)浣^緣體和寬禁帶半導(dǎo)體等眾多前沿科學(xué)研究中獲得了重要應(yīng)用。由于KBBF晶體具有層狀生長(zhǎng)習(xí)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(yè)化制備。因此，世界各國(guó)科研機(jī)構(gòu)都在積極探索發(fā)展新一代深紫外非線性光學(xué)晶體材料。
由于實(shí)際應(yīng)用中對(duì)晶體材料苛刻的性能要求，發(fā)展?jié)M足需求的新型深紫外非線性光學(xué)晶體材料存在很多困難。其關(guān)鍵問(wèn)題在于新材料需要同時(shí)滿足“深紫外透過(guò)截止邊、大倍頻效應(yīng)和合適雙折射率”三個(gè)性能指標(biāo)。然而，這三個(gè)基本指標(biāo)往往是相互制約的。
最近，新疆理化所中科院特殊環(huán)境功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的潘世烈研究員團(tuán)隊(duì)在探索深紫外非線性光學(xué)晶體材料方面取得了重要進(jìn)展。他們通過(guò)系統(tǒng)總結(jié)含鹵素硼酸鹽體系材料的特點(diǎn)，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晶體。在該工作基礎(chǔ)上，課題組借鑒KBBF晶體的結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)一步通過(guò)以NH4+替代K+，(BO3F)4-替代(BeO3F)5-，成功設(shè)計(jì)并合成出了NH4B4O6F(ABF)晶體。相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of the American Chemical Society [139(31),10645-10648(2017)]上。
(a) ABF深紫外透過(guò)光譜; (b)折射率色散; (c)相位匹配區(qū)間;(d)倍頻效應(yīng)
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(shù)（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(zhǎng)158 nm）。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)，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(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。
根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步優(yōu)化晶體生長(zhǎng)工藝，提高晶體尺寸，制備光學(xué)器件，以期實(shí)現(xiàn)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
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