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深度解讀

潘世烈課題組:新一代深紫外非線性光學(xué)晶體材料

星之球科技 來(lái)源:中國(guó)激光2017-10-09 我要評(píng)論(0 )   

中科院新疆理化所潘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。

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。
 
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?;贙BBF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?;谠摬呗裕晒Y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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新疆理化所非線性光學(xué)晶體
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