中国科学院福建物质结构研究所生长出有望获得深紫外激光的英寸级晶体

深紫外（波长<200 nm）非线性光学晶体在高精度光刻、深空通信、超高分辨能谱仪、宽波段光谱仪等高技术领域具有重要应用。相位匹配是非线性光学晶体实现高效转换的必要条件，传统的非线性光学晶体通常基于双折射原理实现相位匹配。然而在深紫外波段，大量非线性光学晶体由于过小的双折射率而难以实现双折射相位匹配。准相位匹配技术通过在晶体中构建非线性系数周期反转的结构，使能量不断由基频光流向倍频光，从而实现倍频光的高效输出。与双折射相位匹配相比，该技术具有不依赖材料双折射率、匹配波段宽、可以利用材料的最大非线性系数等优点，是在深紫外波段实现相干光高效输出的有效方法。然而，目前适用于深紫外波段准相位匹配输出的非线性光学晶体仍然非常稀少。

中国科学院福建物质结构研究所赵三根研究员等在水溶液中成功生长了英寸级透明LiNH ₄SO ₄单晶。电滞回线和变温非线性光学测试等证实LiNH ₄SO ₄晶体具有铁电性。通过施加单向极化电压，成功获得了LiNH ₄SO ₄的单畴化样品。LiNH ₄SO ₄晶体的透光范围可到极短的171 nm，具有适中的二阶非线性光学系数（0.33 pm/V）,且可承受最高达1.47GW/cm ^-2的激光照射而不损坏。通过最小偏向角法精确测定了LiNH ₄SO ₄的波长依赖折射率并拟合了其色散方程，结果表明LiNH ₄SO ₄具有极低的折射率色散，使得该晶体在倍频光波长177.3 nm处的一阶准相位匹配周期达1.4 μm，表明有望采用现有极化工艺加工其准相位匹配倍频器件来直接得到深紫外激光。以上结果说明了LiNH ₄SO ₄是深紫外激光变频的有力候选材料。第一性原理计算的结果表明LiNH ₄SO ₄的非线性光学响应和宽透光范围主要源自于SO ₄ ^2-四面体基元的贡献，而其较低的折射率色散则主要是由于LiNH ₄SO ₄晶体中Li ⁺、NH ₄ ⁺阳离子和SO ₄ ^2-基元电子的的高度局域性。这一发现为发展深紫外准相位匹配非线性光学晶体提供了一条有效途径。

该成果发表在Advanced Functio nal Materials，题为A Ferroelectric No nlinear Optical Crystal for Deep-UV Quasi-Phase-Matching。中国科学院大学博士研究生宋一鹏为论文的第一作者，福建物构所李丙轩副研究员为论文的共同通讯作者。

图1 (a) 双折射相位匹配和准相位匹配对比示意图；(b) LiNH ₄SO ₄晶体铁电相；(c) 顺电相晶体结构示意图

图2 (a) [011]方向 (b) [001]方向籽晶生长的LiNH ₄SO ₄晶体；(c) LiNH ₄SO ₄晶体变温非线性光学测试；(d) 变温非线性光学循环测试；(e) LiNH ₄SO ₄晶体413K下 P- E和 J- E曲线；(g) LiNH ₄SO ₄晶体180°铁电畴图像；(h) 单畴化的LiNH ₄SO ₄晶体

图3 (a) LiNH ₄SO ₄晶体深紫外透过光谱；(b) LiNH ₄SO ₄晶体Maker条纹；(c) LiNH ₄SO ₄晶体被纳秒激光损伤(d)前(e)后的光学显微图像；用于LiNH ₄SO ₄折射率的三角棱镜(e) (100)方向通光；(f) (001)方向通光；(g) LiNH ₄SO ₄晶体折射率色散方程；(h) LiNH ₄SO ₄晶体532 nm处光率体