研究人员发现深紫外磷酸盐中二次谐波产生响应最高

在非线性光学(NLO)领域，深紫外(DUV)NLO晶体因其在全固态激光器中的关键作用而备受关注。随着研究的不断深入，对这些深紫外NLO晶体的需求持续增长。

目前，同时具有大光学带隙和强二次谐波产生(SHG)响应的深紫外非线性光学晶体主要存在于含有π共轭元素的碳酸盐、硼酸盐和硝酸盐中。相比之下，不含π共轭功能的硫酸盐和磷酸盐通常难以实现类似的性能，因为它们的微观二阶极化率较小。

大多数具有二次谐波响应的深紫外非线性光学磷酸盐都难以超越3×KDP的性能极限。中国科学院福建物质结构研究所朱启龙教授和林华教授领导的研究小组提出了一种“极性轴对称筛选”策略来克服这一挑战。

科研人员在一万多种磷酸盐中发现了一种镁基磷酸盐化合物Mg2PO4Cl，该化合物在含有非π共轭元素的深紫外非线性光学晶体中表现出最高的SHG响应(5.2×KDP)，通过混合泛函计算预估其截止边缘为179nm，双折射率为0.046@1064nm。

Mg2PO4Cl的表征：(a)SEM图像和相应的元素映射分析和(b)EDX结果。来源：AngewandteChemieInternationalEdition(2024)。DOI：10.1002/anie.202413276

第一性原理计算表明，Mg2PO4Cl优异的NLO性能主要源于三个功能单元[PO4]、[MgO5Cl]和[MgO4Cl2]沿极轴[001]的有效堆叠，其中O-2p和Cl-3p的非键合电子优先沿同一方向排列。

Berry相分析揭示了P–O键杂化程度对增强SHG响应的作用。此外，对其他含有非π共轭元素的先进DUVNLO化合物的结构-性能关系的详细分析进一步验证了这种极性轴对称筛选策略的有效性。

该项研究成果不仅展示了磷酸盐化合物在深紫外非线性光学晶体领域的巨大潜力，也为未来的晶体设计提供了启示。极性轴对称筛选策略将有助于深化对结构-性能关系的理解，促进非线性光学晶体材料的发展。