深紫外非线性光学材料在全固态激光技术的实际应用中扮演着十分重要的角色。但是由于严苛的性能指标,深紫外非线性光学材料十分罕见。KBe2BO3F2晶体是迄今为止唯一实用的深紫外非线性光学晶体材料,在诸多高新技术中具有非常重要的应用价值。按照阴离子基团理论,深紫外非线性光学性能之所以罕有,是因为大部分阴离子基团的光学带隙和双折射率不能同时满足充分大的条件。因此,大部分非线性光学结构要么带隙较小(比如β-BaB2O4晶体)而无法有效透过深紫外激光,要么双折射过低(比如LiB3O5晶体)而不能实现倍频过程所必须的相位匹配。所以,为了获得优良的深紫外非线性光学材料,研究者们一直想获得既具有超大带隙,又拥有充分双折射,同时还能呈现足够非线性光学效应的晶体结构。
近日,中科院理化所林哲帅研究员与北京计算科学研究中心康雷博士、黄
冰研究员合作,通过将具有一维链状特征的极性基团整合到准一维的极性聚合物长链结构中,从而既有效地扩展了非线性光学体系的结构各向异性,又较大地饱和了结构中的非键轨道。在此设计策略的指导下,研究者系统地聚焦到了具有极性链状排列的磷腈聚合物体系,并成功地在晶体数据库中找到了一种已被实验报到的无机晶型聚合物结构——双氟磷腈PNF2——其结构非常符合本工作的研究者关于深紫外非线性光学聚合物材料的理论构想。而且系统的理论计算显示,双氟磷腈呈现了较大的晶体带隙(7.8~8.7电子伏),较大的倍频效应(1.2~1.9倍KBBF),较大的双折射率(0.10~0.16在400纳米),以及较短的深紫外倍频输出波长(142~158纳米),是一个在深紫外非线性光学的理论性能上略优于KBBF晶体的材料。值得注意的是,双氟磷腈是第一个具有深紫外非线性光学性能的非氧化物材料和聚合物材料。作为一个前瞻性的理论工作,其为深紫外非线性光学材料的研究提供了一个新的研究思路和策略参考。

非线性光学晶体是重要的光电信息功能材料,是光电子技术特别是激光技术的重要物质基础,是高新技术和现代军事技术中不可或缺的关键材料。目前民用和军用的紫外、深紫外二阶非线性光学晶体存在双折射率小、紫外吸收截止边短等缺点,严重制约了这些光学晶体在激光变频领域中的应用。探索设计与制备性能优异的二阶非线性光学晶体是当前光学功能材料研究领域的一个重要前沿课题。2018年3月23日,国际无机化学顶级期刊《配位化学评论》(Coordination
Chemistry Reviews, IF:
13.324)在线发表了我校化学科学与工程学院张弛教授课题组的研究成果《紫外/深紫外二阶非线性光学晶体的研究进展》(Recent
Advances in Ultraviolet and Deep-Ultraviolet Second-Order Nonlinear
Optical Crystals) (Coord. Chem. Rev., 2018, 10.1016/j.ccr.2018.02.017)。

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