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激光作為20世紀(jì)四大發(fā)明之一，具有普通光源難以實(shí)現(xiàn)的亮度高、單色性好、相干性好、方向性好等特點(diǎn)，目前已在現(xiàn)代加工、醫(yī)療、國(guó)防軍事等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
深紫外全固態(tài)激光源，是指輸出波長(zhǎng)在200納米以下的固體激光器，與同步輻射和氣體放電光源等現(xiàn)有光源相比，具有高的光子流通量/密度、好的方向性和相干性。
中國(guó)科學(xué)家利用獨(dú)創(chuàng)、獨(dú)有的深紫外技術(shù)和深紫外激光非線性光學(xué)晶體，成功研制出深紫外激光拉曼光譜儀、深紫外激光發(fā)射電子顯微鏡等八臺(tái)深紫外固態(tài)激光源前沿裝備，均為當(dāng)今世界所獨(dú)有的科研利器，居深紫外領(lǐng)域國(guó)際領(lǐng)先地位。
隨著激光技術(shù)的發(fā)展，全固態(tài)深紫外(波長(zhǎng)<200納米)激光具有波長(zhǎng)短、峰值功率高的優(yōu)點(diǎn)，使其成為目前激光領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)深紫外激光輸出的最有效的方式，是借助于深紫外非線性光學(xué)晶體的頻率轉(zhuǎn)換特性。而提到非線性光學(xué)晶體，我們不得不提一種名為氟硼鈹酸鉀(KBBF)的晶體。
近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)在非線性光學(xué)晶體領(lǐng)域一直處于國(guó)際領(lǐng)先地位，相繼發(fā)明并產(chǎn)業(yè)化了β-BaB2O4、LiB3O5 和KBe2BO3F2(KBBF)等一系列“中國(guó)牌”晶體。其中，利用KBBF晶體，中國(guó)科學(xué)家在世界上第一次實(shí)現(xiàn)了1064納米激光直接倍頻實(shí)現(xiàn)深紫外激光輸出(177.3納米)。2009年Nature 以《中國(guó)“藏匿”的晶體珍寶》報(bào)道了中國(guó)人工晶體的成就：“中國(guó)在KBBF晶體上的壟斷地位并不是偶然，中國(guó)的科研人員悄然占領(lǐng)了一系列廣闊的材料研究領(lǐng)域的制高點(diǎn)”。
但是，由于受到本身缺陷的制約(層狀習(xí)性，原料劇毒)，KBBF晶體難以滿足深紫外激光器行業(yè)的應(yīng)用需求。因此，設(shè)計(jì)合成新型深紫外非線性光學(xué)晶體是目前亟待研究和突破的課題。
潛在的深紫外非線性光學(xué)晶體需要同時(shí)具備以下幾個(gè)條件：
1、深紫外透過截止邊低(這決定可應(yīng)用波段及抗激光損傷能力)
2、倍頻效應(yīng)大(這決定轉(zhuǎn)換效率)
3、折射率色散小(這決定材料激光倍頻輸出的波長(zhǎng)范圍)
而這些性能之間又相互制約、相互影響。比如說(shuō)，深紫外透過低需要帶隙要更寬，但是帶隙變寬了以后，倍頻效應(yīng)就不好進(jìn)一步增大了。所以說(shuō)，研究材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，建立功能基元數(shù)據(jù)庫(kù)、探索平衡性能之間相互制約的機(jī)制，篩選并引入新的功能基團(tuán)，是突破深紫外光學(xué)晶體的有效手段。
中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所特殊環(huán)境功能材料與器件院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室潘世烈團(tuán)隊(duì)就在這方面有了系列的進(jìn)展。
他們通過分析硼酸鹽晶體性能之間相互制約的關(guān)系，基于材料模擬方法首次提出了一種將BO4-xFx(x=1,2,3)功能基團(tuán)引入硼酸鹽框架的設(shè)計(jì)策略，成功篩選設(shè)計(jì)出一系列很有潛力的堿金屬氟硼酸深紫外光學(xué)晶體，并證實(shí)了這一類材料作為深紫外非線性光學(xué)晶體應(yīng)用的可行性。
近日，該團(tuán)隊(duì)又成功設(shè)計(jì)并合成出首例堿土金屬氟硼酸鹽SrB5O7F3 ，該晶體紫外截止邊低于180nm，雙折射率較大(0.07@532)，相位匹配波長(zhǎng)短(180nm)。這些性能表明該晶體可應(yīng)用于深紫外波段。此外，SrB5O7F3倍頻效應(yīng)為KBBF的1.3倍，具有更高的激光轉(zhuǎn)換效率。基于SrB5O7F3晶體優(yōu)異的光學(xué)和物化性能，其有望在深紫外激光倍頻輸出方面得到應(yīng)用。
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