近期，我校化学与环境科学学院武奎副研究员、王颖副研究员在国际著名期刊Chemical Science杂志连续发表了两篇在非线性光学（NLO）晶体材料研究领域取得的重要原创性研究成果（Chem. Sci., 2019, 10, 3963 和Chem. Sci., 2019, DOI：10.1039/C9SC04862F）。两项研究成果分别基于功能基团的组合优化，设计合成了适用于中远红外和深紫外波段的新型无机NLO晶体材料。
NLO晶体材料是固体激光器实现多波段相干光输出的核心材料，具有不可替代的作用。目前，虽然在可见波段的NLO晶体已经成熟，但仍缺乏能够在中远红外和深紫外波段进行频率转换的NLO晶体材料。因此，面向世界科技前沿和我国对多波段用激光光源的战略需求，亟需探索和发展新型NLO晶体。
目前，中远红外NLO晶体的发展要求能够实现材料的“宽带隙与大倍频”之间的性能平衡。通过基元筛选和组合，采用经典的AgGaS2作为模板晶体，通过将无d-d跃迁吸收的碱金属（Li和Na）和碱土金属Sr原子引入材料结构中取代先前的Ag原子来增大材料的带隙，同时采用MIVS4（M = Ge, Sn）四面体取代GaS4作为“非线性活性基元”来保持较大的非线性光学系数。基于以上策略，成功合成出四种新的红外非线性光学材料A2SrMIVS4 (A = Li, Na; MIV = Ge, Sn)，系统的性能测试表明上述四种材料均能够实现很好的性能平衡（宽的带隙和大的NLO系数），同时能够实现非线性光学效应的I类相位匹配（图1）。该研究结果为下一步制备新的红外非线性光学材料提供很好的理论指导。成果发表在Chem. Sci., 2019, 10, 3963-3968，河北大学为第一完成单位，第一作者为武奎副研究员。上述研究得到了国家自然科学面上基金、河北大学高层次人才引进项目的资助。
全文链接：https://pubs_rsc.xilesou.top/en/content/articlehtml/2019/sc/c9sc00028c
图1 材料设计及性能测试结果
深紫外NLO晶体材料的难点在于需要解决材料“带隙-倍频效应-双折率”的平衡关系。基于结构基元的合理选择，提出了一个新的设计策略获得深紫外NLO晶体材料——在硼酸盐中引入AlOmFn (m + n = 4, 5, 6, 简称为AlOF)次级结构基元。利用该设计思路，通过结合非对称的AlO3F和具有π共轭效应的B3O6结构基元（图2），获得了一个新的铝硼酸盐氟化物，CsAlB3O6F（CABF）。如图3所示，该晶体具有优异的线性和非线性光学性能（紫外截止边低于190 nm，倍频性能2倍KDP，最短相位匹配波长低于200 nm）。该晶体材料同时具有好的热稳定性，能够在开放体系中生长。同时，基于第一性原理计算，证实该材料结构中AlO3F和B3O6结构基元对其倍频效应具有显著贡献。该工作的第一作者为我院硕士研究生刘红坤（2018级），王颖副研究员为第一通讯作者，河北大学为第一完成单位。上述研究得到了国家自然科学基金、河北大学高层次人才引进项目的资助，同时入选热点文章2019 Chemical Science HOT Article Collection。
全文链接如下：https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2019/SC/C9SC04862F#!divAbstract
图2 CABF晶体材料的设计路线和结构图
图3 CABF晶体的线性/非线性光学性能和理论计算
《Chemical Science》是英国皇家化学会（RSC）旗舰刊物，中科院JCR分区一区刊物。该期刊发表综合化学领域最前沿、最重要、最具挑战性的高影响力研究成果，最新影响因子为9.556。
