Nieliniowe kryształy optyczne w podczerwieni (NLOC), jako kluczowe urządzenia do laserowej konwersji częstotliwości, mają ważne zastosowania w laserach na ciele stałym. Obecne komercyjne nieliniowe kryształy optyczne IR obejmują głównie związki typu chalkopirytu złożone z grup tetraedrycznych, takie jak AgGaS2 (AGS), AgGaSe2 i ZnGeP2 (ZGP). Jednak ze względu na ich wewnętrzne wady użytkowe, materiały te nie mogą już w pełni spełniać wymagań obecnego rozwoju technologii lasera na podczerwień. Dlatego istnieje pilna potrzeba zaprojektowania nowych nieliniowych materiałów optycznych na podczerwień w oparciu o nowe motywy lub nowe strategie, aby przełamać ograniczenia istniejących właściwości materiałów i uzyskać nowe, wysokowydajne nieliniowe materiały optyczne na podczerwień o nowatorskich strukturach.
Centrum Badań nad Materiałami Kryształowymi Instytutu Technologii Fizycznej i Chemicznej w Xinjiang Chińskiej Akademii Nauk zajmuje się badaniami nad nowymi optoelektronicznymi kryształami funkcjonalnymi. Poprzednie badania wykazały, że rtęć ma unikalną konfigurację elektronową, która sprzyja tworzeniu się silnie spolaryzowanych jonów Hg2+, co skutkuje znaczną nieliniową odpowiedzią optyczną. Tymczasem Hg ma liczne formy koordynacyjne i może tworzyć liniowe [HgSe2], planarne [HgSe3] i trójkątno-stożkowe [HgQ4] (Q=S, Se) nieliniowo aktywne rodniki w procesie wiązania z pierwiastkami siarki. Ze względu na ograniczenie piątej reguły Bowlinga (reguły oszczędzania), większość presyntetyzowanych związków siarki na bazie Hg zawiera tylko jeden nieliniowy motyw reaktywny, a przeważają związki składające się z czworościanów [HgQ4], co ogranicza właściwości chemiczne i strukturalne różnorodność związków na bazie rtęci. Na podstawie wcześniejszych badań zespół badawczy kierowany przez badacza Pan Shilie i badacza Li Junjie z Centrum Badań nad Materiałami Kryształowymi Instytutu Fizyki i Chemii w Xinjiang Chińskiej Akademii Nauk zaproponował strategię projektowania „trzy w jednym” w układ związków siarki na bazie rtęci, czyli trzy rodzaje nieliniowo aktywnych, ale różnych anizotropii polaryzowalności grup ［HgQn] (n=2, 3, 4), próbując przełamać ograniczenie „oszczędności rule” w jednym związku i zsyntetyzował pierwszy nieliniowy materiał optyczny na podczerwień na bazie rtęci, Hg7P2Se12 (HPSe), który zawiera jednocześnie [HgSe2], [HgSe3] i [HgSe4]. Związek wykazuje dużą odpowiedź oktawową drugiego rzędu (∼1 × AGS) w źródle światła o średnicy dwóch mikrometrów, a kryształ ma szeroką granicę odcięcia podczerwieni (∼22,8 μm) i wysoki próg uszkodzenia lasera (∼2 × AGS), sugerując, że łamanie „zasady zachowania” i zwiększanie różnorodności grup jest skuteczną strategią projektowania. Sugeruje to, że złamanie „zasady oszczędności” i zwiększenie różnorodności grup jest skuteczną strategią projektowania nowych nieliniowych materiałów optycznych na podczerwień o nowatorskiej strukturze i doskonałych parametrach. Wynik ten zainspiruje badaczy do zbadania większej liczby nowych nieliniowych materiałów optycznych na podczerwień o doskonałych, wszechstronnych parametrach.
Wyniki badań opublikowano w pełnym tekście w czasopiśmie Advanced Functional Materials wydawnictwa Wiley, z Instytutem Fizyki i Technologii Chemicznej w Xinjiang (XICT) jako jedyną jednostką uzupełniającą, Shiliu Pan i Junjie Li jako autorami korespondującymi, a także stypendysta podoktorski Yu Chu i doktorant Hongshan Wang jako współpierwsi autorzy. Prace badawcze zostały sfinansowane przez Program Talentów Chińskiej Akademii Nauk, Chińską Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych i Fundację Nauk Przyrodniczych Regionu Autonomicznego Xinjiang.
Rysunek 1 Struktura i właściwości optyczne kryształów HPSe. (a) Wzory XRD monokryształów HPSe (wstawiona figura to optyczne zdjęcie HPSe); (b) Wzory transmisji IIR monokryształów HPSe, AGS i ZGP (wstawiona figura to optyczne zdjęcie HPSe, AGS i ZGP); (c) efekt podwojenia proszku w próbkach HPSe; (d) widma transmisji UV monokryształów HPSe; oraz e) typową nieliniową nieliniowość IR selenku. Analiza statystyczna zakresu transmisji optycznej materiałów optycznych. gdzie kolor niebieski reprezentuje obszar o wysokiej transmitancji.
