俞洪伟教授团队在深紫外非线性光学晶体的理性设计研究

取得进展

开发具有优异性能的深紫外（DUV）非线性光学（NLO）晶体是激光技术领域的重要课题。近日，天津理工大学的俞洪伟教授团队基于阳离子调控策略，通过对Cs₂KY(B₃O₆)₂（CKYBO）结构中K⁺/Y³⁺位点的有序替代，成功设计并合成了一种新型DUV非线性光学晶体CsSrB₃O₆（CSBO）。该晶体不仅消除了原结构中的阳离子无序问题，还显著降低了热膨胀各向异性。CSBO表现出优异的综合性能：紫外截止边短于190 nm，二次谐波产生（SHG）效应为KDP的5.0倍，双折射率达0.075@1064 nm。该研究为通过阳离子工程设计高性能NLO晶体提供了新思路，CSBO有望成为深紫外激光输出的候选材料。相关研究成果以“Rational Design of a Deep-Ultraviolet Nonlinear Optical Crystal”为题发表在Journal of the American Chemical Society上。

摘要：

无机材料的理性结构设计在材料科学中仍是一项重大挑战，尤其对深紫外（DUV）非线性光学（NLO）晶体而言。本文通过Cs₂KY(B₃O₆)₂（CKYBO）的阳离子调控，成功预测并合成了一种新型DUV透明非线性光学硼酸盐——CsSrB₃O₆（CSBO）。通过第一性原理声子振动计算确认了CSBO的结构稳定性，并最终通过高温固相反应法成功合成。用Sr²⁺阳离子取代K⁺/Y³⁺阳离子消除了结构无序，并显著降低了热膨胀各向异性（CKYBO：9.32，CSBO：1.95），从而有效防止晶体在生长过程中开裂。此外，CSBO成功实现了B₃O₆官能团的有序化设计，这一结构特点使其展现出均衡的功能性能，包括强的二次谐波产生响应（5.0 × KH₂PO₄）、短的紫外吸收边（＜190 nm）和适中的双折射率（0.075@1064 nm）。所有这些性能表明，CSBO是一种具有前景的DUV非线性光学材料，本研究也为通过计算与实验协同的策略开发高性能NLO晶体建立了有效方法。

文章信息：

H. Liu, H. Wu, Z. Hu, J. Wang, Y. Wu, H. Yu. Rational Design of a Deep-Ultraviolet Nonlinear Optical Crystal. J. Am. Chem. Soc., 2025.

DOI: 10.1021/jacs.5c10583