非线性光学晶体作为一种重要的光电功能材料，是固态激光技术和光通讯与信号处理技术发展的关键材料之一。当前，仍亟待发展和突破能实现紫外/深紫外激光输出的非线性光学晶体。然而，一个性能优异的紫外/深紫外非线性光学材料需要满足苛刻且相互制约的性能需求，如短的紫外透过截止边、大的倍频效应，特别是拥有合适的双折射率(Δn: 0.05-0.1)以满足相位匹配条件。针对双折射率这一严苛条件将大多数非π共轭体系及双折射活性基团未一致排列的π-共轭体系排除在外。事实上，大的双折射率并不是满足相位匹配的充分必要条件，折射率色散对相位匹配波长的调控也有着举足轻重的地位。
中国科学院新疆理化技术研究所光电功能团队通过提出引入氟化四面体优化折射率色散的设计策略，成功在金属氟化硼酸盐体系中合成了第一例含[BF4]-四面体基团的非中心对称的氟化硼酸盐Na4B8O9F10。相比于β-BBO、LiB3O5 (LBO)、CsB3O5 (CBO)、K3B6O10Cl (KBOC)等经典的非线性光学材料，Na4B8O9F10呈现更小的折射率色散，使其在拥有相对小的双折射率（0.036 @1064 nm）的情况下达到了较短的倍频相位匹配波长（240 nm）。该团队进一步通过实验验证，该化合物可实现Nd: YAG激光器所输出的1064 nm的基频光下四倍频的谐波光输出，也进一步印证了第一性原理计算最短相位匹配波长的可信性。通过对目标化合物进行实空间原子切割探究以硼为中心的各功能基团对色散的影响，发现π共轭的[BO3]3-基团是折射率色散的主要影响因素，而[BO2F2]-尤其是具有大的HOMO-LUMO带隙的[BF4]-基团，有利于小的折射率色散。
综上，Na4B8O9F10因其优异的折射率色散，通过小的双折射率实现了较短的倍频相位匹配波长，为探索具有小的折射率色散的优异材料提供了一种可行的策略。该研究成果以VIP（Very Important Paper）形式发表在Wiley公司出版的《德国应用化学》上（Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202115669）。中科院新疆理化所为唯一完成单位，在读研究生程欢欢为第一作者，杨志华研究员和潘世烈研究员为通讯作者，该工作得到了国家自然科学基金优青项目、中科院及自治区等项目的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202115669
图1 Na4B8O9F10的晶体结构及在双折射率和最短倍频PM波长方面与几种经典材料的对比
