氟化硼酸鹽體系探索深紫外非線性光學晶體材料

 

　　非線性光學(NLO)晶體是一種重要的光電信息功能材料，是固體激光技術和光通訊與信號處理技術發(fā)展的關鍵材料之一。自激光器問世以來，NLO晶體通過和頻、差頻和光參量振蕩等手段，極大的擴展了固態(tài)激光器的輸出波長范圍，強有力的推動了激光技術的發(fā)展，在國防、信息、科研、能源、工業(yè)制造和醫(yī)療衛(wèi)生等領域具有廣泛的應用前景。目前，用于可見和近紅外波段的NLO晶體如磷酸二氫鉀(KDP)、磷酸鈦氧鉀(KTP)、低溫相偏硼酸鋇(β-BBO)、硼酸鋰(LBO)、硫鎵銀(AGS)等，已經(jīng)發(fā)展成熟，并得到廣泛應用。

 

　　隨著激光精密機械加工業(yè)、激光化學、紫外激光光譜學和激光醫(yī)學等學科的飛速發(fā)展，人們迫切需要發(fā)展全固態(tài)深紫外相干光源，其關鍵突破點在于深紫外波段的NLO晶體的研制和應用。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(jīng)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。KBBF晶體擁有優(yōu)異的光學性能，然而受到本征缺陷的制約(層狀習性，原料劇毒等)，KBBF晶體無法產(chǎn)業(yè)化以滿足行業(yè)需求。因此，設計合成新型深紫外NLO晶體是目前亟待研究的課題。

 

　　【成果簡介】

 

　　中科院新疆理化技術研究所潘世烈團隊探索下一代深紫外NLO晶體材料研究取得突破。他們通過材料結構性能關系研究，建立了典型非線性光學晶體材料的結構數(shù)據(jù)庫，分析了硼酸鹽晶體“深紫外透過-大倍頻效應-較大雙折射”性能之間相互制約的原因，基于材料模擬方法提出了一種將一類 BO4-xFx(x = 1, 2, 3)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以Li2B6O9F2為代表的含氟硼酸鋰深紫外NLO晶體。相關研究成果以Very Important Paper (VIP)文章的形式發(fā)表在《德國應用化學》(Angew. Chem. Int. Ed.2017, 56, 3916–3919)上。文章在線發(fā)表后，短時間內(nèi)即引起美國新聞周刊Chemical & Engineering News(C&EN)的高度重視。以Nonlinear optical laser material avoids beryllium(《無鈹非線性光學晶體材料》)為題目，以Science Concentrates點評了該項研究成果。

 

　　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(BO3F)4-替代(BeO3F)5-，成功設計合成了AB4O6F族(A = NH4+、K、 Rb、Cs)系列材料。晶體結構分析揭示了這一系類材料均由二維層狀結構的[B4O6F]陰離子基團和空隙填充的陽離子組成。其中，陽離子對[B4O6F]陰離子基團對稱性和整體結構結構調(diào)控方面具有重要的作用。同時理論和實驗測試表明，這類材料都具有非常短的紫外吸收邊(<190 nm，最短可達155 nm)，并且粉末倍頻效應為商業(yè)化KDP材料的0.8~3倍，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，AB4O6F族晶體的結構更加緊湊，層間作用力顯著增強，從而消弱了層狀生長習性;此外，原料不含劇毒鈹元素，倍頻效應強于KBBF，用于深紫外激光光源可獲得更高的轉(zhuǎn)換效率。AB4O6F族晶體材料綜合性能優(yōu)異，有望成為下一代深紫外NLO晶體。相關研究成果先后發(fā)表在頂級期刊《美國化學會志》和《德國應用化學》上(J. Am. Chem. Soc.，2017，139, 10645;Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 14119; Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI:10.1002/anie.201712168)

 

　　【圖文導讀】

 

　　圖1Li2B6O9F2系列晶體材料的結構和光學性質(zhì)表征

 

　　

 

 

 

　　(a-b) Li2B6O9F2、LiB6O9F、Li2B3O4F3和商業(yè)化LBO晶體折射率比較

 

　　(c) Li2B6O9F2粉末純相和理論值比較

 

　　(d)Li2B6O9F2的透過光譜(在空氣中長時間暴露后)

 

　　(e-f)Li2B6O9F2的粉末倍頻性能測試

 

　　圖2 NH4B4O6F晶體線性和非線性光學性能測試

 

 

 

　　(a) NH4B4O6F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

 

　　圖3AB4O6F族晶體材料的結構對比

 

 

 

　　晶體結構：(a-c) RbB4O6F;(d-f)CsKB8O12F2; (g-i) CsRbB8O12F2

 

　　圖4理論研究：CsB4O6F倍頻密度分析

 

 

 

　　【小結】

 

　　研究人員通過材料結構基元重組的設計思路，引入BO4-xFx(x = 1, 2, 3)功能基團基元替代KBBF中劇毒的BeO3F，成功設計了新型氟化硼酸鹽NLO晶體。這一類材料既具有寬的帶隙和大的非線性光學系數(shù)，又同時具備合適的雙折射率，并且改善了層狀生長習性。該工作為探索下一代深紫外NLO材料提供了一條新的路徑。