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May 07, 2023

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Light Publishing Center, Changchun Institut für Optik, Feinmechanik und

Light Publishing Center, Changchun Institut für Optik, Feinmechanik und Physik, CAS

Bild: (a) „Zwiebelschälen“-Screening-Flussdiagramm für DUV-NLO-Kristalle. (b), (c), (d), Schlüsselkriterienkoordinaten (I, II, III) und entsprechende Strukturen von „Pseudo“, „möglichen“ und „vielversprechenden“ DUV-NLO-Kristallen.mehr sehen

Bildnachweis: von Lei Kang und Zheshuai Lin

Nichtlineare Optik spielt in der modernen Optik und Lasertechnik eine wichtige Rolle. Die nichtlineare optische (NLO) Technologie ist ein wichtiges Mittel zur Erweiterung der Laserwellenlänge. NLO-Kristalle sind Grundmaterialien zur Realisierung der NLO-Technologie. Im Spektralbereich des tiefen Ultravioletts (DUV) mit Wellenlängen unter 200 nm sind NLO-Kristalle die Kerngeräte für die Realisierung einer Hochleistungs-DUV-Laserleistung. Der resultierende DUV-Festkörperlaser hat wichtige Anwendungen in hochmodernen Technologiebereichen wie Medizin, Mikrobearbeitung, Lithographie, Photochemie, Spektroskopie und Mikroskopie. Bis heute ist der KBe2BO3F2 (KBBF)-Kristall der einzige DUV-NLO-Kristall und bietet ein leistungsstarkes Werkzeug zur Erforschung der materiellen Welt. Aufgrund seines geschichteten Habitus ist das Wachstum großer einzelner KBBF-Kristalle jedoch schwierig. Darüber hinaus erfordert die Entwicklung der DUV-Wissenschaft DUV-NLO-Kristalle mit kürzeren Ausgangswellenlängen und stärkeren NLO-Effekten, um den Anforderungen von Lasern mit höherer Präzision und höherer Leistung gerecht zu werden. Daher ist es von großer Bedeutung, weiterhin DUV-NLO-Kristalle zu erforschen, um entweder KBBF hinsichtlich der Kristallwachstumsfähigkeiten zu ersetzen oder KBBF hinsichtlich der NLO-Eigenschaften zu übertreffen.

In einem neuen Artikel, der in Light Science & Application veröffentlicht wurde, haben Lei Kang und Zheshuai Lin vom Technischen Institut für Physik und Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, China, die wichtigsten Leistungskriterien und die zentrale konzeptionelle Grundlage von DUV-NLO-Kristallen geklärt, indem sie aktuelle experimentelle und theoretische Erkenntnisse überprüft haben Fortschritt. Sie diskutierten auch die Entwicklung von DUV-NLO-„Struktur-Eigenschafts-Korrelationen“ auf der Grundlage von Ab-initio-Methoden und wie dadurch das Interesse an verwandten Materialien geweckt wurde, sowie zukünftige Forschungsrichtungen auf dem Gebiet der DUV-NLO-Kristalle.

Zu den wichtigsten Leistungskriterien zählen der Effekt dij der Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG), der effektive SHG-Koeffizient deff, die UV-transparente Grenzwellenlänge λUV und die phasenanpassbare (PM) Grenzwellenlänge λPM. Obwohl in den letzten zwei Jahrzehnten eine große Anzahl von Verbindungen synthetisiert und charakterisiert wurde, gibt es nur sehr wenige wirklich „vielversprechende“ DUV-NLO-Kristalle. Um die „vielversprechenden“ Kriterien zu erreichen, müssen wir die beiden Kernkonzepte „Phasenanpassung“ und „effektiver SHG“ verstehen. Gemäß dem in gezeigten Screening-Verfahren „Zwiebel schälen“.Abbildung 1Durch das schichtweise Screening wichtiger Leistungskriterien und die schrittweise Einführung von Kernkonzepten kann die theoretische Leistung von DUV-NLO-Kristallen effektiv bewertet werden.

Zahlreiche NLO-Materialien sind im DUV-Bereich lediglich transparent, können jedoch keine effektive DUV-PM-Leistung erzielen. es handelt sich im Wesentlichen um „Pseudo“-DUV-NLO-Kristalle. Einige wenige Kristalle scheinen die DUV-NLO-Leistungskriterien zu erfüllen, aber ihre tatsächlichen DUV-kohärenten Umwandlungsfähigkeiten sind insbesondere für SHG unzureichend; Sie gehören grundsätzlich zu den „möglichen“ DUV-NLO-Kristallen. Derzeit werden nur Kristalle, die eine effektive DUV-PM-Ausgabe mit ausreichender SHG-Umwandlungseffizienz erreichen können, als „vielversprechende“ DUV-NLO-Kristalle bezeichnet. Es sollte betont werden, dass die Materialforschung von DUV-NLO-Kristallen auf diesen strengen Konzepten und in sich konsistenten Kriterien beruhen muss. Ohne die Konzepte zu erfüllen, handelt es sich nicht unbedingt um einen DUV-NLO-Kristall; Ohne die Erfüllung der Kriterien kann keine wirklich effiziente kohärente DUV-Ausgabe erzielt werden.

Vor 2013 wurden keine Materialien entdeckt, die die DUV-NLO-Eigenschaften von KBBF übertreffen könnten. Es ist eine große Herausforderung, die DUV NLO-Leistung über KBBF hinaus weiter zu verbessern. Um dieser Herausforderung zu begegnen, wurden mehrere Designstrategien vorgeschlagen, um die Leistungsverbesserung von DUV-NLO-Kristallen zu fördern. Durch die Kombination fortschrittlicher First-Principles-Modellierung und Simulationen wurde eine Reihe potenzieller DUV-PM-SHG-Kristalle bewertet, entworfen und vorhergesagt, von denen einige teilweise experimentell verifiziert wurden.

Abstimmung der Zwischenschichtkationen: KBBF, RBBF und CBBF haben ähnliche Strukturen mit vergleichbarem λUV und d22. Allerdings sind ihre λPM aufgrund unterschiedlicher Δn recht unterschiedlich. Das λPM von RBBF ist im Vergleich zu KBBF um 13 nm rotverschoben, und CBBF kann keine effektive DUV-SHG-Ausgabe mehr erzielen. Dieser Grund ist auf den sogenannten „NLO-Größeneffekt“ zurückzuführen, der durch die kationische Größe der Zwischenschicht induziert wird (Abbildung 2a ). Dementsprechend hat sich die rationale Abstimmung der kationischen Zwischenschichtgröße zu einer wirksamen Strategie zur Verbesserung der DUV-NLO-Leistung entwickelt. Wenn das gesamte Potenzial der Kationen ausgeschöpft werden kann, kann die DUV-NLO-Leistung weiter verbessert und somit die KBBF-Grenze überschritten werden. Eine extreme Designstrategie besteht darin, die Größe der Zwischenschichtkationen auf Null zu reduzieren, dh sie zu eliminieren, um so das DUV-NLO-Potenzial zu maximieren. Ein solches theoretisches Design wurde erstmals im F-brückenverbundenen γ-Be2BO3F validiert (Abbildung 2b ). Die Ergebnisse des ersten Prinzips zeigen, dass die kürzere SHG-Ausgabe und der stärkere SHG-Effekt tatsächlich erreicht werden. Eine andere Designstrategie zur Eliminierung der Zwischenschichtkationen, z. B. über eine Van-der-Waals-Verbindung (vdW), wurde vorgeschlagen, und eine Reihe möglicher DUV-NLO-Strukturen wurde entsprechend vorhergesagt. Darunter ein vorhandener Berborit (Be2BO5H3,Abbildung 2c) kann theoretisch eine mit KBBF vergleichbare DUV-NLO-Leistung erreichen, und die entwickelten Modelle PB3O6F2 und SiCO3F2 könnten eine über KBBF hinausgehende DUV-NLO-Leistung erzielen.

Erweiterung der anionischen Gruppen: Herkömmliche DUV-NLO-Materialien sind geschichtete anionische Boratgerüste auf Fluorbasis, da die geschichteten Gerüste eine große Doppelbrechung begünstigen und die anionischen Boratgruppen auf Fluorbasis eine große Bandlücke begünstigen. Zu diesem Zweck wird die Materialforschung erweitert (1) von Borat- auf Carbonat-anionische Gruppen, z. B. können KAlCO3F2 und vdW Be2CO3F2 kürzere DUV-SHG-Grenzwerte und größere SHG-Effekte als KBBF aufweisen (Abbildung 3a ); (2) Von fluorbasierten bis hin zu hydroxylbasierten anionischen Gruppen, z. B. Hydroxyborat SrB8O15H4 und Hydroxycarbonat LiZnCO3OH, weisen mögliche DUV-NLO-Eigenschaften auf (Abbildung 3b) und (3) von geschichteten zu verketteten anionischen Gruppen, z. B. wird für Poly(difluorphosphazen) (PNF2) eine bessere DUV-NLO-Leistung als für KBBF vorhergesagt (Abbildung 3c).

Kurz gesagt, der vorgeschlagene First-Principles-Ansatz kann nicht nur die Eigenschaften von DUV-NLO-Kristallen charakterisieren, sondern auch die Gesetze der „Struktur-Eigenschafts-Korrelation“ erläutern, die Erkenntnisse für Leistungsverbesserung und Materialdesign liefern. Obwohl die First-Principles-Berechnungen eine wichtige Referenz für DUV-NLO-Bewertungen darstellen können, erfordern die endgültigen Leistungsbestimmungen auch eine strenge optische Charakterisierung großer Kristalle, anstatt sich ausschließlich auf theoretische Ergebnisse zu verlassen. Hochwertige große Einkristalle sind das grundlegende und ultimative Ziel von NLO-Kristallen. Eine angemessene Leistungsbewertung ist ein entscheidender Schritt für NLO-Kristalle vor dem Wachstum großer Kristalle. Nur durch die Anerkennung der theoretischen Anwendbarkeit kann die theoretische Vorhersagbarkeit maximiert werden. Mithilfe der Ab-initio-Methoden beim Design und der Vorhersage von DUV-NLO-Kristallen werden die zugrunde liegenden „Struktur-Eigenschafts-Korrelationen“ für die aktuelle und zukünftige DUV-NLO-Materialexploration vorgeschlagen, insbesondere wenn die Exploration mit Engpässen konfrontiert ist. Diese Überprüfung stellt eine wichtige Referenz für die Bewertung der DUV-NLO-Leistung dar und würde sich positiv auf die konzeptionelle Klärung und Materialforschung im Bereich der DUV-NLO-Kristalle auswirken.

Lichtwissenschaft und Anwendungen

10.1038/s41377-022-00899-1

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