新疆理化所新型高性能紫外非线性光学材料研究取得进展

固态紫外激光器在商业和科学研究中得到了广泛应用，而利用非线性光学晶体产生四倍频是在266 nm处实现大功率紫外激光器的有效方法。由于硼酸盐材料具有宽的透明度范围、良好的化学稳定性和高损伤阈值等优点，有希望被应用于非线性光学领域。高性能的紫外非线性光学材料需要满足几个基本条件：（1）宽的透明窗口（吸收边<300 nm）；(2) 合适的双折射率（0.07–0.10）；(3) 较大的倍频 (SHG) 系数（>1×KH2PO4 (KDP)）。然而由于带隙、双折射和非线性光学效应之间的相互制约关系，在新材料的设计中实现这三个参数之间的平衡仍然是一个巨大挑战。在过去的几十年里，科学家们发现了许多具有优异性能的硼酸盐。其中，KBBF是唯一能够实现相位匹配波长至161 nm的非线性光学晶体。此外，对于产生266 nm四次谐波，目前只有β-BaB2O4(BBO)和CsLiB6O10(CLBO)这两种非线性光学材料得到商业化应用。

针对紫外/深紫外非线性光学材料发展中遇到的难题和挑战，中国科学院新疆理化技术研究所特殊环境功能材料与器件重点实验室潘世烈研究团队一直坚持探索硼酸盐材料体系，不断开发新型高性能紫外/深紫外非线性光学材料，并取得显著成效。近日，该团队成功获得一例硼酸盐新化合物CsBaB9O15（CBBO），它是在性能优异的Sr2Be2B2O7（SBBO）材料的基础上，利用离子替换的思路得到的，在该化合物中首次观察到了新的基本结构单元B9O19。CBBO拥有和SBBO相似的层状结构，同时又在性能方面有所改进：（1）CBBO的二维双层由B-O基团组成，其键长小于SBBO中层间的Be-O键，键合力更强，因此化合物更稳定，更容易生长大尺寸晶体；（2）结构中存在的平面B3O6基团有利于产生优异的性能；（3）BeO4单元被BO4取代，解决了含Be材料合成时原料有毒性的问题。此外，CBBO中Cs原子填充在B-O双层的孔穴中，解决了含Cs材料容易潮解的问题。相关的性能测试显示出CBBO拥有优异的非线性光学性能，包括大的倍频效应（3 × KDP）、合适的双折射（0.073@1064 nm）和达到深紫外范围的截止边（175 nm）。综合性能表明，CBBO是一种潜在的可用于266 nm激光输出的紫外非线性光学材料。

近日，相关研究成果发表在《科学通报》(Science Bulletin, DOI:10.1016/j.scib.2021.06.025)上，新疆理化所为第一完成单位。该研究工作得到国家自然科学基金委、中科院等的资助。