非線性光學晶體材料是重要的光電信息功能材料，在雷射頻率變換、信息通訊、光信號處理等眾多領域都具有廣泛而重要的應用。隨著科技的發展，技術的創新和發展對非線性光學晶體材料提出了更多、更高和更全面的要求。其中，作為全固態雷射器輸出紫外、深紫外雷射的關鍵元件，紫外、深紫外非線性光學晶體的研製、應用亟待發展和突破。
中國科學院新疆理化技術研究所特殊環境功能材料與器件重點實驗室潘世烈研究團隊近年來致力於新型紫外、深紫外非線性光學晶體的設計與合成。該團隊選取經典的非線性晶體Sr2Be2B2O7為模板，通過化學共替代設計策略，用具有相似電子結構的同主族元素Ba和Mg原子共同去替代Sr2Be2B2O7結構中的Sr和Be原子，成功設計併合成出兩種具有非中心對稱結構的Ba3Mg3(BO3)3F3同質多晶化合物。該團隊與北京大學研究員孫俊良合作成功獲得正交和六方兩相晶體的單晶結構。利用差熱重分析、變溫X-射線衍射和熱膨脹率測試等實驗方法驗證Ba3Mg3(BO3)3F3同質多晶的存在及其可逆相變行為。通過大量的助熔劑探索實驗，成功生長出正交相Ba3Mg3(BO3)3F3的大尺寸單晶，並基於高質量單晶進行了全面的光學性能表徵，結果顯示正交相Ba3Mg3(BO3)3F3具有寬的透過波段（184–3780nm）、高的雷射損傷閾值（6.2GW/cm2）、適中的雙折射率（0.045@532nm）、較大二階倍頻係數（d33 = 0.51pm/V）以及良好的熱穩定性能。同時，該晶體能夠實現相位匹配，晶體易於生長，可望作為紫外非線性光學晶體材料用於紫外雷射輸出。
相關研究成果發表在《自然-通訊》上，新疆理化所為第一完成單位，在讀博士研究生米日丁·穆太力普為第一作者。該研究得到了國家自然科學基金委、科技部、中科院等的資助。
此前，該團隊通過分析硼酸鹽晶體「深紫外透過-大倍頻效應-適中雙折射」性能之間相互制約的關係，成功設計併合成出一系列鹼金屬、鹼土金屬氟硼酸鹽深紫外非線性光學晶體，如NH4B4O6F (J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 10645), CsB4O6F (Angew. Chem. Int. Ed. ,2017, 56, 14119)和RbB4O6F (Angew. Chem. Int. Ed. ,2018, 57, 2150), SrB5O7F3(Angew. Chem. Int. Ed. ,2018, 57, 6095), NaB4O6F (Angew. Chem. Int. Ed. ,2018, 57, 6577)，Li2B6O9F2 (Angew. Chem. Int. Ed. ,2017, 56, 3916)。相關研究為設計優異的紫外、深紫外非線性光學晶體提供了可行策略。
來源：中國科學院新疆理化技術研究所