Китайські вчені створили кристали для глибоких ультрафіолетових лазерів

Команда вчених із Сіньцзянського технічного інституту фізики та хімії Китайської академії наук представила нову стратегію створення кристалів для лазерів глибокого ультрафіолету. Дослідники синтезували серію лужних металевих фтороборатів, які демонструють покращені оптичні характеристики порівняно з існуючими матеріалами.

Лазери глибокого ультрафіолету з довжиною хвилі менше 200 нанометрів відіграють важливу роль у сучасних наукових дослідженнях та промисловому виробництві. Їх застосовують у різних галузях — від аналізу матеріалів до літографії. Комерціалізація таких лазерів значною мірою залежить від високоефективних нелінійних оптичних кристалів, проте їх розробка стикається з серйозними обмеженнями.

Кристали для глибокого ультрафіолету повинні одночасно мати великий відгук генерації другої гармоніки, помірне двопроменезаломлення та широку заборонену зону. Борати довгий час залишалися у фокусі досліджень завдяки винятковим властивостям пропускання в ультрафіолетовому діапазоні. Хоча були розроблені матеріали на кшталт бета-BBO та LBO, більшість із них не можуть досягти фазового узгодження в глибокому ультрафіолеті через пряме подвоєння частоти.

Фтороборатні системи стали провідними кандидатами завдяки структурному різноманіттю та кращим характеристикам. Однак існуючі матеріали, такі як KBBF, мають шаруваті звички росту та потребують токсичної сировини. Крім того, кристали з ланцюгоподібними полімеризованими групами трапляються рідко.

Китайські дослідники запропонували нову стратегію структурного дизайну, засновану на синергетичній збірці фторованих багатогранників та площинних боро-кисневих груп. Використовуючи ефект зсуву та здатність до спрямованої полімеризації фторованих багатогранників, команда досягла рівномірного вирівнювання функціональних одиниць із пі-спряженням. Це призвело до успішного синтезу серії лужних металевих фтороборатів — KABF, RABF та CABF.

Ключовою особливістю роботи стало використання фторованих багатогранників для модуляції орієнтації площинних боро-кисневих одиниць. Це дозволило створити нові кристалічні структури з ланцюгами. У цих структурах тетраедри та ланцюгоподібні полімеризовані одиниці проходять синергетичну збірку, формуючи паралельно вирівняні шарові архітектури.

Отримані матеріали демонструють відгук генерації другої гармоніки у 1,6−1,7 раза більший за KDP при 1064 нанометрах та 0,4−0,5 раза більший за BBO при 532 нанометрах. Вони також досягають найкоротшої довжини хвилі фазового узгодження першого типу на рівні 161,5−168,6 нанометра, а межі обрізання в ультрафіолеті опускаються нижче 190 нанометрів.

Результати дослідження опубліковані у журналі Advanced Functional Materials. Ця робота не лише пропонує кандидатів для кристалів глибокого ультрафіолету, але й встановлює парадигму дизайну для синергетичної взаємодії між фторованими багатогранниками та полімеризованими одиницями, відкриваючи шлях до розробки безберилієвих матеріалів з низькою токсичністю.