非线性光学打开了科研的奇幻之门。某些绿色激光笔运用和频效应，把看不见的红外光转成了可见的绿光；运用双光子吸收效应制作的双光子荧光显微镜，可以对人体癌细胞的结构、生长与抑制规律进行光谱学研究；运用光学参量放大效应发展而来的光学参量啁啾脉冲放大技术，可以用来研究激光受控核聚变，为人类用上更加环保清洁的聚变能努力。今天盘点一下近期最近关于非线性光学的新研究。

我国氧化物非线性光学晶体研究获突破

      山东大学晶体材料国家重点实验室于浩海教授课题组与中科院理化所合作，在氧化物非线性光学晶体研究方面取得了新进展，相关研究成果作为封面文章发表在国际著名期刊《美国化学学会杂志》上。

      由于在国防、医疗、工业以及科研工作等领域的重要应用，中红外波段激光已成为国内外激光技术领域的研究热点之一。可实用中红外非线性光学材料是中红外激光的材料基础，要求透过范围宽、激光损伤阈值高、非线性光学效应大。一般来说，氧化物晶体的声子能量较高，限制了其中远红外应用，中红外非线性光学晶体的研究主要集中于以硫磷族为代表的半导体晶体，但氧化物宽的禁带宽度决定该类材料可能具有高的损伤阈值、可能提升现有中红外激光的输出功率。课题组面向中红外氧化物研究和应用现状，在长期的硅酸镓镧体系研究基础上，抓住宽禁带和低声子能量两个关键因素，通过分子设计，在硅酸镓镧体系中进一步筛选出的La3SnGa5O14（LGSn）晶体是综合性能优秀的中红外非线性光学晶体；通过晶体生长获得了小尺寸样品，发现该晶体的红外截止边到11μm中红外光谱区域，具有禁带宽度宽、损伤阈值高、非线性系数大、可用成熟的近红外激光泵浦产生中红外激光等优势。

      于浩海教授课题组一直致力于人工晶体特别是激光与非线性光学晶体材料与器件研究，在激光晶体、非线性光学晶体、激光自倍频晶体、光开关晶体等光电功能晶体的晶体生长及器件应用方面取得了系列成绩，在Adv． Mater．、ACS Nano、Laser ＆Photon． Rev．、Appl． Phys． Lett．等国际期刊上发表多篇论文，受到广泛关注，部分研究成果已获得转化应用。2014年提出在硅酸镓镧体系晶体可能在中红外波段有重要应用，2016年评估了铌酸镓镧晶体的中红外非线性光学特性和实用前景。

      该项研究工作得到了国家重点研究与发展计划、国家自然科学基金等项目的大力支持。

新疆理化所深紫外非线性光学晶体材料研究获进展

      非线性光学晶体材料是重要的光电信息功能材料，在激光医学、激光频率变换、信息通讯、精密仪器加工等众多领域都具有重要应用。随着科技的发展，现阶段对非线性光学晶体材料提出了更高的要求。作为全固态激光器输出深紫外激光的关键元件，深紫外非线性光学晶体的研制和应用亟待发展突破。

中国科学院新疆理化技术研究所特殊环境功能材料与器件重点实验室潘世烈团队通过结构调控和组装设计思路，将BO4－xFx（x＝1，2，3）基本构筑基团引入碱金属、碱土金属硼酸盐框架，成功设计并合成出了系列新型氟化硼酸盐深紫外非线性光学晶体，如Li2B6O9F2 （Angew． Chem． Int． Ed． 2017， 56， 3916）、NH4B4O6F （J． Am． Chem． Soc． 2017， 139， 10645）、CsB4O6F （Angew． Chem． Int． Ed． 2017， 56， 14119）、RbB4O6F （Angew． Chem． Int． Ed． 2018， 57， 2150）、SrB5O7F3（Angew． Chem． Int． Ed． 2018， DOI： 10．1002／anie．201802058）和CaB5O7F3（Inorg． Chem． 2018， DOI： 10．1021／acs．inorgchem．8b00531）。

      近日，基于阳离子结构调控策略，潘世烈团队又合成了一例新型碱金属氟化硼酸盐非线性光学晶体材料——NaB4O6F（NBF），它是新的AB4O6F族氟硼酸盐。由于Na离子的尺寸适中和特殊的位置，使NBF的晶体结构与AB4O6F族中的其他化合物相比具有独特的性能。NBF结晶于非中心对称的空间群（C2），紫外截止边低于180nm，倍频效应为0．9倍的KH2PO4，具有大的双折射率，最短相位匹配波长可达到166nm，是非常有前景的深紫外非线性光学晶体。此外NBF还具有较低的离子迁移活化能32．5 kJ·mol－1，是潜在的固体离子导体材料。基于键价理论、对称性分析和第一性原理计算，揭示了NBF独特的性能来源于“多功能基元”［B4O6F］∞层，此研究为设计优异的多功能氟硼酸盐光学晶体提供了可行策略。

      相关研究成果以Very Important Paper （VIP） 文章的形式发表在《德国应用化学》上。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院等的支持。

NaB4O6F晶体结构（a），离子迁移活化能（b），倍频效应（c）和相位匹配性能（d）

石墨烯非线性光学研究获进展

      近日，复旦大学物理学系教授吴施伟课题组联合中国科学院长春光学精密机械与物理研究所郭春雷中美联合光子实验室副研究员程晋罗、中国科学技术大学教授曾长淦、北京大学研究员刘开辉和加拿大多伦多大学教授J． E． Sipe，利用离子凝胶技术（ion－gel）实现了石墨烯中三阶非线性和四波混频非线性光学现象的电学调控和增强效应，并通过理论推导揭示其内在的物理机制，研究成果以Gate－tunable third－order nonlinear optical response of massless Dirac fermions in graphene 为题于伦敦时间5月21日在线发表在《自然－光子学》（Nature Photonics）上。

      研究团队揭示了跃迁通道间的干涉效应在石墨烯非线性光学效应中的主导作用，澄清了之前国际上不同课题组在三阶非线性光学系数上分歧的来源，并且指出了通过化学势来大范围调控石墨烯非线性光学效应的途径。与此同时，该研究工作制备出了国际上首个基于石墨烯三阶非线性光学效应的电光器件，电学的调控比可达几个数量级。鉴于近年来石墨烯在大面积低成本生长制备方面的重大突破，这一电光调控机制有望为石墨烯产业提供一种杀手锏级别的高端应用。

      程晋罗为此项研究工作提供了理论支持。

图1 基于离子凝胶调控技术的石墨烯场效应晶体管器件示意图

图2 不同化学势μ和光子能量下的THG信号强度