目前，全固態(tài)深紫外激光器通過非線性光學(xué)晶體進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換才可產(chǎn)生深紫外激光。利用深紫外非線性光學(xué)晶體對(duì)紅外（如波長1064nm）激光進(jìn)行多級(jí)倍頻轉(zhuǎn)換，可獲得波長小于200 nm、光子能量高、光束質(zhì)量好的深紫外激光，該光源在光刻加工、醫(yī)學(xué)、高精尖科研設(shè)備、光化學(xué)、激光光譜等重要領(lǐng)域具有重大應(yīng)用需求。要實(shí)現(xiàn)深紫外激光輸出，非線性光學(xué)晶體在擁有滿足相位匹配能力的雙折射率的同時(shí)，還須具備足夠?qū)挼膸�隙、足夠大的倍頻效應(yīng)，但晶體的帶隙和倍頻效應(yīng)之間存在著此消彼長的矛盾關(guān)系。如何使材料帶隙、倍頻效應(yīng)、雙折射率在同一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)中達(dá)到精巧平衡以實(shí)現(xiàn)深紫外激光輸出成為難題�！　�

中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員林哲帥課題組開展了“類金剛石結(jié)構(gòu)改造工程”和“范德瓦爾斯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略”，在深紫外非線性光學(xué)晶體的探索上取得了進(jìn)展。科研人員通過對(duì)類金剛石結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，構(gòu)建缺陷型類金剛石結(jié)構(gòu)、引入平面共軛基團(tuán)和引入羥基等策略，獲得了第一個(gè)羥基碳酸鹽深紫外非線性光學(xué)晶體——LiZn(OH)CO₃。該材料同時(shí)具有寬的帶隙（Eg＞6.5eV），強(qiáng)的倍頻響應(yīng)（≈3.2×KDP）和大的雙折射（Δn=0.147@1064 nm），滿足了深紫外非線性光學(xué)晶體三個(gè)性能指標(biāo)。第一性原理計(jì)算評(píng)估顯示，LiZn(OH)CO₃的相位匹配能力達(dá)到深紫外波段，其理論最短相位匹配波長在在190 nm以下，在已報(bào)道的碳酸鹽非線性光學(xué)材料中是最短的，是潛在的深紫外非線性光學(xué)材料。相關(guān)研究成果以LiZn(OH)CO₃: A Deep-Ultraviolet Nonlinear Optical Hydroxycarbonate Designed from Diamond-like Structure為題，在線發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition上。論文第一作者為博士研究生劉曉萌，論文通訊作者為博士公丕富博士和研究員林哲帥。該研究將深紫外非線性光學(xué)材料的探索進(jìn)一步擴(kuò)展到羥基碳酸鹽體系，并指出類金剛石結(jié)構(gòu)可以同時(shí)具備寬的帶隙和大的倍頻效應(yīng)，為探索深紫外非線性光學(xué)材料提供了設(shè)計(jì)模板。

范德瓦爾斯材料通過層間的范德瓦爾斯力將二維平面連接，構(gòu)成三維材料。由于其層間僅存在較弱的分子間作用力，層與層之間的結(jié)構(gòu)可控性好，易于對(duì)材料性能進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)深紫外非線性光學(xué)性能的平衡。林哲帥研究組提出了深紫外材料范德瓦爾斯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，將KBBF晶體的非范德瓦爾斯(BO₃)-(BeO₃F)層逐步設(shè)計(jì)改造成范德瓦爾斯(BO₃)-(BeO₄H)層和(BO₄)-(BeO₄)層，并由此篩選出深紫外非線性光學(xué)鈹硼酸鹽Be₂BO₅H₃（BBH）。在此基礎(chǔ)上，理論設(shè)計(jì)出了另一種潛在的深紫外非線性光學(xué)材料BeB₂O₄（BEBO）。計(jì)算顯示，這兩種化合物均具備大的帶隙、倍頻效應(yīng)以及適中的雙折射率，實(shí)現(xiàn)了深紫外非線性光學(xué)的性能平衡，其最短相位匹配波長分別達(dá)到了172nm和152nm。這兩種化合物在深紫外波段的理論倍頻系數(shù)都較大，分別為0.52 pm/V (BBH) 和0.34 pm/V (BEBO)。此外，得益于范德瓦爾斯特性，這兩種深紫外材料易于改造成為二維層狀材料，有望將深紫外非線性光學(xué)性質(zhì)的研究拓展至二維材料。相關(guān)研究成果以Deep-Ultraviolet Nonlinear Optical van der Waals Beryllium Borates為題，在線發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition上。論文第一作者為博士康雷，論文通訊作者為林哲帥和北京計(jì)算科學(xué)研究中心研究員黃兵。

圖1.LiZn(OH)CO3的最短相位匹配波長以及它的類金剛石結(jié)構(gòu)改造

圖2.深紫外非線性光學(xué)范德瓦爾斯鈹硼酸鹽的設(shè)計(jì)策略

上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院青年促進(jìn)會(huì)和中科院功能晶體與激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。