Созданы три нелинейных оптических материала с рекордно короткой границей поглощения

Ученые успешно синтезировали три новых нелинейных оптических (NLO) материала на основе фторидов боратов редкоземельных металлов, которые демонстрируют рекордно короткую границу поглощения — менее 200 нанометров. Это открытие обещает прорыв в ультрафиолетовой фотонике, включая технологии лазерного преобразования частоты и квантовые вычисления.

Нелинейные оптические материалы являются ключевым компонентом современной фотонной техники. Особый интерес для применения в коротковолновом диапазоне (<280 нм) традиционно представляют кристаллы на основе боратов благодаря их структурной гибкости, широкому окну прозрачности и высокой стойкости к лазерному повреждению.

Главной проблемой в разработке материалов нового поколения было достижение достаточной двулучепреломляемости для фазового синхронизма на коротких волнах при сохранении сильного эффекта генерации второй гармоники (SHG).

Исследовательская группа из Синьцзянского технического института физики и химии Китайской академии наук применила стратегию синергетической оптимизации. В результате были синтезированы три новых соединения: K₂GdB₃O₆F₂, Rb₂LuB₃O₆F₂ и Cs₂LuB₃O₆F₂. Результаты их работы были опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.

Все три соединения демонстрируют границу поглощения ниже 200 нм. Материал Cs₂LuB₃O₆F₂ показал особенно сильный эффект удвоения частоты, в 1.5 раза превышающий показатель эталонного кристалла KH₂PO₄. Для Rb₂LuB₃O₆F₂ и Cs₂LuB₃O₆F₂ самые короткие длины волн для фазового синхронизма I типа оцениваются в 210 нм и 202 нм соответственно. Это указывает на их потенциал для прямого генерирования когерентного излучения с длиной волны 213 нм в процессе генерации пятой гармоники от Nd:YAG-лазера.

Ключевым наблюдением исследования стала структурная эволюция от центросимметричного K₂GdB₃O₆F₂ к нецентросимметричным Rb₂LuB₃O₆F₂ и Cs₂LuB₃O₆F₂. Этот переход показал, что расположение и ориентация [B₃O₆] групп сильно зависят от координации редкоземельных металлополиэдров, что играет решающую роль в определении общей структурной симметрии материалов.

Нелинейно-оптические кристаллы — это материалы, которые меняют свои оптические свойства под воздействием интенсивного лазерного излучения, позволяя, например, преобразовывать инфракрасный свет лазера в зеленый, как в обычных лазерных указках. Новые материалы открывают путь к созданию более компактных и эффективных UV-лазеров для научных исследований, микрообработки материалов и медицинских применений.