非線性光學(NLO)材料是現(xiàn)代光子技術(shù)的核心,促進了激光變頻、超快光開關和量子信息處理等創(chuàng)新應用的發(fā)展。在種類繁多的NLO晶體中,硼酸鹽體系因其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)適應性、寬透明窗口和高激光損傷閾值在短波長(<280 nm)NLO材料領域中占據(jù)中極其重要的位置。著名的KBe2BO3F2、β-BaB2O4和LiB3O5等晶體對全球NLO晶體的發(fā)展做出了重大貢獻并持續(xù)引領著新型NLO晶體的探索和研究。然而,下一代NLO材料的開發(fā)仍然面臨一個關鍵挑戰(zhàn):在保持強烈的二次諧波產(chǎn)生(SHG)效應的同時,擁有可以實現(xiàn)短波長相位匹配的足夠的雙折射。研究表明混合陰離子基團(例如O2-、F-、BO33-、BO3F4-等)之間的協(xié)同相互作用有可能帶來前所未有的光學表現(xiàn),同時平面π共軛[B3O6]基團擁有較大的超極化率和高的極化率各向異性有助于實現(xiàn)高效SHG和足夠的雙折射以滿足短波長相位匹配。
中國科學院新疆理化技術(shù)研究所潘世烈和楊云研究員研究團隊成功合成了三種新型稀土金屬硼酸鹽氟化物,K2GdB3O6F2、Rb2LuB3O6F2和Cs2LuB3O6F2。實驗表明三個標題化合物都表現(xiàn)出小于200 nm的短截止邊,其中Cs2LuB3O6F2表現(xiàn)出1.5×KH2PO4的實驗倍頻效應。計算顯示Rb2LuB3O6F2和Cs2LuB3O6F2的I類最短相位匹配波長分別為210和202 nm,這說明它們有潛力通過Nd:YAG激光器的五次諧波產(chǎn)生過程直接輸出213 nm的相干光。更重要的是,從中心對稱的K2GdB3O6F2到非中心對稱的Rb2LuB3O6F2和Cs2LuB3O6F2的結(jié)構(gòu)演化表明,稀土金屬多面體配位影響了[B3O6]基團的排列和取向,對結(jié)構(gòu)最終的對稱性起著決定性作用。

[B3O6]基團在中心對稱和非中心對稱結(jié)構(gòu)中的配位敏感性
相關研究成果以研究型文章的形式發(fā)表在《先進功能材料》期刊上(Advanced Functional Materials, 2025, DOI: 10.1002/adfm.202520516)。