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May 07, 2023

Profundo

Light Publishing Center, Instituto de Óptica, Mecánica Fina y de Changchun

Light Publishing Center, Instituto de Óptica, Mecánica Fina y Física de Changchun, CAS

imagen: (a) diagrama de flujo de detección de "cebolla pelada" para cristales DUV NLO. (b), (c), (d), coordenadas de criterios clave (I, II, III) y estructuras correspondientes de cristales DUV NLO "pseudo", "posibles" y "prometedores".ver más

Crédito: por Lei Kang y Zheshuai Lin

La óptica no lineal juega un papel importante en la óptica moderna y la tecnología láser. La tecnología óptica no lineal (NLO) es un medio importante para extender la longitud de onda del láser. Los cristales NLO son materiales básicos para realizar la tecnología NLO. En la región espectral del ultravioleta profundo (DUV) con longitudes de onda inferiores a 200 nm, los cristales NLO son los dispositivos centrales para realizar una salida láser DUV de alta potencia. El láser de estado sólido DUV resultante tiene importantes aplicaciones en campos tecnológicos de vanguardia como la medicina, el micromecanizado, la litografía, la fotoquímica, la espectroscopia y la microscopia. Hasta la fecha, el cristal KBe2BO3F2 (KBBF) es el único cristal DUV NLO y proporciona una poderosa herramienta para explorar el mundo material. Sin embargo, debido a su hábito en capas, el crecimiento de cristales KBBF individuales a gran escala enfrenta dificultades. Además, el desarrollo de la ciencia DUV requiere cristales DUV NLO con longitudes de onda de salida más cortas y efectos NLO más fuertes para satisfacer las necesidades de láseres de mayor potencia y precisión. Por lo tanto, es de gran importancia continuar explorando cristales DUV NLO para reemplazar KBBF en capacidades de crecimiento de cristales o para superar KBBF en propiedades NLO.

En un nuevo artículo publicado en Light Science & Application, Lei Kang y Zheshuai Lin del Instituto Técnico de Física y Química de la Academia de Ciencias de China, China, han aclarado los criterios clave de rendimiento y la base conceptual central de los cristales DUV NLO mediante la revisión experimental y teórica actual. progreso. También discutieron el desarrollo de "correlaciones estructura-propiedad" DUV NLO basadas en métodos de primeros principios y cómo ha despertado interés en materiales relacionados, así como futuras direcciones de exploración en el campo de cristales DUV NLO.

Los criterios clave de rendimiento incluyen el efecto dij de la generación del segundo armónico (SHG), el coeficiente SHG efectivo deff, la longitud de onda de corte transparente UV λUV y la longitud de onda de corte de fase coincidente (PM) λPM. En las últimas dos décadas, aunque se ha sintetizado y caracterizado una gran cantidad de compuestos, hay muy pocos cristales DUV NLO realmente "prometedores". Para lograr los criterios "prometedores", debemos comprender los dos conceptos básicos de "coincidencia de fase" y "SHG eficaz". De acuerdo con el proceso de selección de "pelar cebolla" que se muestra enFigura 1, a través de la evaluación capa por capa de los criterios clave de rendimiento y la introducción gradual de conceptos básicos, el rendimiento teórico de los cristales DUV NLO se puede evaluar de manera efectiva.

Numerosos materiales NLO son simplemente transparentes en la región DUV, pero no pueden lograr una salida DUV PM efectiva; son esencialmente "pseudo" cristales DUV NLO. Algunos cristales parecen cumplir con los criterios de rendimiento DUV NLO, pero sus capacidades reales de conversión coherente DUV son insuficientes, especialmente para SHG; básicamente pertenecen a "posibles" cristales DUV NLO. Actualmente, solo los cristales capaces de lograr una salida efectiva de DUV PM con suficiente eficiencia de conversión de SHG se denominan cristales DUV NLO "prometedores". Debe enfatizarse que la exploración de materiales de los cristales DUV NLO debe basarse en estos conceptos estrictos y criterios coherentes. Sin cumplir con los conceptos, no es estrictamente un cristal DUV NLO; sin cumplir con los criterios, no puede lograr una salida coherente DUV verdaderamente eficiente.

Antes de 2013, no se descubrieron materiales que pudieran superar las propiedades DUV NLO de KBBF. Es un gran desafío continuar mejorando el rendimiento de DUV NLO más allá de KBBF. Para abordar este desafío, se han propuesto varias estrategias de diseño para promover la mejora del rendimiento de los cristales DUV NLO. Mediante la combinación de modelos y simulaciones avanzados de primeros principios, se evaluaron, diseñaron y predijeron una serie de cristales DUV PM SHG potenciales, algunos de los cuales se han verificado parcialmente de forma experimental.

Ajuste de los cationes de la capa intermedia: KBBF, RBBF y CBBF tienen estructuras similares con λUV y d22 comparables. Sin embargo, sus λPM son bastante diferentes debido a los diferentes Δn. El λPM de RBBF se desplaza hacia el rojo 13 nm que KBBF, y CBBF ya no puede lograr una salida DUV SHG efectiva. Esta razón se debe al llamado "efecto de tamaño NLO" inducido por el tamaño catiónico de la capa intermedia (Figura 2a ). En consecuencia, el ajuste racional del tamaño catiónico de la capa intermedia se ha convertido en una estrategia eficaz para mejorar el rendimiento de DUV NLO. Si se puede aprovechar todo el potencial de los cationes, el rendimiento de DUV NLO se puede mejorar aún más, rompiendo así el límite de KBBF. Una estrategia de diseño extrema es reducir el tamaño de los cationes de la capa intermedia a cero, es decir, eliminarlos, maximizando así el potencial DUV NLO. Dicho diseño teórico se validó por primera vez en el γ-Be2BO3F conectado al puente F (Figura 2b ). Los resultados de los primeros principios demuestran que, de hecho, se logran la producción SHG más corta y el efecto SHG más fuerte. Se ha propuesto otra estrategia de diseño para eliminar los cationes entre capas, es decir, a través de la conexión de van der Waals (vdW), y en consecuencia se han predicho una serie de posibles estructuras DUV NLO. Entre ellos, una berborita existente (Be2BO5H3,Figura 2c) teóricamente puede lograr un rendimiento DUV NLO comparable con KBBF, y los PB3O6F2 y SiCO3F2 diseñados podrían lograr un rendimiento DUV NLO superior al de KBBF.

Extensión de los grupos aniónicos: los materiales DUV NLO convencionales son estructuras aniónicas de borato basadas en flúor en capas, ya que las estructuras en capas favorecen una gran birrefringencia, y los grupos aniónicos de borato basados ​​en flúor favorecen una banda prohibida grande. Con este fin, la exploración de materiales se extiende (1) desde los grupos aniónicos de borato a carbonato, por ejemplo, KAlCO3F2 y vdW Be2CO3F2 pueden exhibir límites DUV SHG más cortos y efectos SHG más grandes que KBBF (Figura 3a ); (2) de grupos aniónicos basados ​​en flúor a basados ​​en hidroxilo, por ejemplo, el hidroxiborato SrB8O15H4 y el hidroxicarbonato LiZnCO3OH exhiben posibles propiedades DUV NLO (Figura 3b), y (3) de grupos aniónicos en capas a encadenados, por ejemplo, se predice poli (difluorofosfaceno) (PNF2) con un rendimiento DUV NLO superior que KBBF (Figura 3c).

En resumen, el enfoque de primeros principios propuesto no solo puede caracterizar las propiedades de los cristales DUV NLO, sino también dilucidar las leyes de "correlación estructura-propiedad", que brindan información para mejorar el rendimiento y el diseño de materiales. Aunque los cálculos de los primeros principios pueden proporcionar una referencia importante para las evaluaciones DUV NLO, las determinaciones finales del rendimiento también requieren una caracterización óptica rigurosa de cristales de gran tamaño en lugar de confiar únicamente en resultados teóricos. Los monocristales de gran tamaño y alta calidad son el destino fundamental y último de los cristales NLO. La evaluación razonable del rendimiento es un paso crucial para los cristales NLO antes del crecimiento de cristales de gran tamaño. Solo reconociendo la aplicabilidad teórica se puede maximizar la previsibilidad teórica. Usando los métodos de los primeros principios en el diseño y la predicción de cristales DUV NLO, se proponen las "correlaciones estructura-propiedad" subyacentes para la exploración actual y futura de materiales DUV NLO, especialmente cuando la exploración enfrenta cuellos de botella. Esta revisión proporciona una referencia importante para la evaluación del rendimiento de DUV NLO y tendría un impacto positivo en la clarificación conceptual y la exploración de materiales en el campo de los cristales DUV NLO.

Ciencias de la luz y aplicaciones

10.1038/s41377-022-00899-1

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