目前，全固態(tài)深紫外激光器通過非線性光學晶體進行波長轉換才可產生深紫外激光。利用深紫外非線性光學晶體對紅外（如波長1064nm）激光進行多級倍頻轉換，可獲得波長小于200 nm、光子能量高、光束質量好的深紫外激光，該光源在光刻加工、醫(yī)學、高精尖科研設備、光化學、激光光譜等重要領域具有重大應用需求。要實現(xiàn)深紫外激光輸出，非線性光學晶體在擁有滿足相位匹配能力的雙折射率的同時，還須具備足夠寬的帶隙、足夠大的倍頻效應，但晶體的帶隙和倍頻效應之間存在著此消彼長的矛盾關系。如何使材料帶隙、倍頻效應、雙折射率在同一個晶體結構中達到精巧平衡以實現(xiàn)深紫外激光輸出成為難題�！　�

中國科學院理化技術研究所研究員林哲帥課題組開展了“類金剛石結構改造工程”和“范德瓦爾斯結構設計策略”，在深紫外非線性光學晶體的探索上取得了進展。科研人員通過對類金剛石結構進行結構改造，構建缺陷型類金剛石結構、引入平面共軛基團和引入羥基等策略，獲得了第一個羥基碳酸鹽深紫外非線性光學晶體——LiZn(OH)CO₃。該材料同時具有寬的帶隙（Eg＞6.5eV），強的倍頻響應（≈3.2×KDP）和大的雙折射（Δn=0.147@1064 nm），滿足了深紫外非線性光學晶體三個性能指標。第一性原理計算評估顯示，LiZn(OH)CO₃的相位匹配能力達到深紫外波段，其理論最短相位匹配波長在在190 nm以下，在已報道的碳酸鹽非線性光學材料中是最短的，是潛在的深紫外非線性光學材料。相關研究成果以LiZn(OH)CO₃: A Deep-Ultraviolet Nonlinear Optical Hydroxycarbonate Designed from Diamond-like Structure為題，在線發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition上。論文第一作者為博士研究生劉曉萌，論文通訊作者為博士公丕富博士和研究員林哲帥。該研究將深紫外非線性光學材料的探索進一步擴展到羥基碳酸鹽體系，并指出類金剛石結構可以同時具備寬的帶隙和大的倍頻效應，為探索深紫外非線性光學材料提供了設計模板。

范德瓦爾斯材料通過層間的范德瓦爾斯力將二維平面連接，構成三維材料。由于其層間僅存在較弱的分子間作用力，層與層之間的結構可控性好，易于對材料性能進行調節(jié)，以實現(xiàn)深紫外非線性光學性能的平衡。林哲帥研究組提出了深紫外材料范德瓦爾斯結構設計策略，將KBBF晶體的非范德瓦爾斯(BO₃)-(BeO₃F)層逐步設計改造成范德瓦爾斯(BO₃)-(BeO₄H)層和(BO₄)-(BeO₄)層，并由此篩選出深紫外非線性光學鈹硼酸鹽Be₂BO₅H₃（BBH）。在此基礎上，理論設計出了另一種潛在的深紫外非線性光學材料BeB₂O₄（BEBO）。計算顯示，這兩種化合物均具備大的帶隙、倍頻效應以及適中的雙折射率，實現(xiàn)了深紫外非線性光學的性能平衡，其最短相位匹配波長分別達到了172nm和152nm。這兩種化合物在深紫外波段的理論倍頻系數(shù)都較大，分別為0.52 pm/V (BBH) 和0.34 pm/V (BEBO)。此外，得益于范德瓦爾斯特性，這兩種深紫外材料易于改造成為二維層狀材料，有望將深紫外非線性光學性質的研究拓展至二維材料。相關研究成果以Deep-Ultraviolet Nonlinear Optical van der Waals Beryllium Borates為題，在線發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition上。論文第一作者為博士康雷，論文通訊作者為林哲帥和北京計算科學研究中心研究員黃兵。

圖1.LiZn(OH)CO3的最短相位匹配波長以及它的類金剛石結構改造

圖2.深紫外非線性光學范德瓦爾斯鈹硼酸鹽的設計策略

上述研究工作得到國家自然科學基金、中科院青年促進會和中科院功能晶體與激光技術重點實驗室的支持。