理化所发现深紫外非线性光学羟基硼酸盐

　　深紫外非线性光学晶体通过频率转换产生深紫外相干光源(波长小于200纳米)，是当前深紫外全固态激光技术的核心元件。

　　就当前应用标准而言，深紫外非线性光学性能需同时满足较好的深紫外透过率、较大的倍频效应以及足够的双折射率等要求。然而，满足此标准的晶体材料非常罕见，寻找既有足够大的光学带隙、又能呈现足够强的二阶极性和光学各向异性的深紫外晶体，较为困难。

　　中国科学院院士陈创天提出的阴离子基团理论，为深紫外非线性材料探索提供构效关系规律，在目前能实现应用标准的“中国牌晶体”KBBF族晶体材料的发现过程中起重要作用。随着计算技术的发展，中科院理化技术研究所林哲帅课题组基于第一性原理方法，发展一套计算分析工具，用以精确调控和阐明深紫外非线性光学机理，促使ABBF和BBF等系列深紫外非线性材料的实验发现。此外，他们又总结发展一套深紫外非线性材料计算机辅助建模系统和设计蓝图(Acc. Chem. Res. 2020, 53, 209-217；Sci. China Mater. 2020, 63, 1597-1612)，用以高效评估候选材料的深紫外非线性光学性能，加速深紫外非线性材料的探索。

　　近日，按照此设计蓝图，研究员林哲帅、博士康雷发表题为Realizing deep-ultraviolet second harmonic generation by first-principles-guided materials exploration in hydroxyborates的研究论文，将深紫外非线性材料研究推进到羟基硼酸盐体系，从第一性原理出发系统评估羟基硼酸盐呈现出的潜在深紫外非线性光学性能，发现羟基硼酸阴离子基团可以呈现媲美氟硼酸阴离子基团的深紫外非线性光学性能，设计ABOH深紫外非线性光学结构，并分析系列羟基硼酸盐材料的晶体结构与非线性性能的演化规律。同时，在理论分析和预测的指导下，通过实验获得从无机晶体数据库中筛选出的两种碱土金属羟基硼酸盐化合物，即AEB8O15H4(AE = Sr, Ca)。初步的实验测量包括粉末吸收光谱和倍频效应与理论计算结果吻合，较好地证实理论的预测，即其具有较大的晶体带隙、较强的倍频效应和足够的双折射率，因而理论上可以实现最短174纳米和185纳米的深紫外相位匹配倍频输出，证明羟基硼酸盐能够呈现出一定的深紫外非线性光学性能。其能否作为深紫外非线性光学晶体候选材料，还需进一步落实到大尺寸晶体生长和更严格的光学表征上。后续研究正在开展之中。

　　相关研究成果发表在Journal of the American Chemical Society上，论文第一作者是理化所博士公丕富，论文通讯作者是康雷、林哲帅。