Pb₂BO₃Cl: A Tailor‐Made Polar Lead Borate Chloride with Very Strong Second Harmonic Generation

Abstract

A meticulously designed, polar, non‐centrosymmetric lead borate chloride, Pb2BO3Cl, was synthesized using KBe2BO3F2 (KBBF) as a model. Single‐crystal X‐ray diffraction revealed that the structure of Pb2BO3Cl consists of cationic [Pb2(BO3)]+ honeycomb layers and Cl− anions. Powder second harmonic generation (SHG) measurements on graded polycrystalline Pb2BO3Cl indicated that the title compound is phase‐matchable (type I) and exhibits a remarkably strong SHG response, which is approximately nine times stronger than that of potassium dihydrogen phosphate, and the largest efficiency observed in materials with structures similar to KBBF. Further characterization suggested that the compound melts congruently at high temperature and has a wide transparency window from the near‐UV to the mid‐IR region.

Neue Kandidaten für die nichtlineare Optik im Tief‐UV‐Bereich

“…Borate sind die aktuellsten Kandidaten für lineare und nichtlineare optische Materialien, da sie sich durch überlegene Eigenschaften bei folgenden, wesentlichen Aspekten auszeichnen: [14,15,[18][19][20][21][22][23] Es gibt einen hohen Anteil nichtzentrosymmetrischer Strukturen (36 %), das optische Transparenzfenster reicht vom tiefen UV bis zum mittleren Infrarotbereich, auch mit kurzwelligen Absorptionskanten (z. B. kann die kurzwelligste UV-Absorptionskante in SrB 4 O 7 -Kristallen weit im Vakuum-UV-Spektralbereich bei 120 nm liegen), [11,21] Polarisierbarkeiten sind groß und induzieren enorme Nichtlinearitätskoeffizienten zweiter Ordnung (z.…”

“…[23] Die drei entscheidenden Parameter für einen praktisch anwendbaren Kandidaten für NLO-Anwendungen im tiefen UV sind Absorptionskante, Nichtlinearitätskoeffizient und kürzeste SHG-PM-Wellenlänge, die hauptsächlich durch die Doppelbrechung bestimmt ist. [14][15][16][17] Kristall-basierte Emission von kohärentem Licht im tiefen UV durch den SHG-Ansatz zu erwarten. Deshalb forschen Chemiker und Materialwissenschaftler derzeit verstärkt an Boratsystemen, um diesen idealen "3-in-1"-Zustand zu erreichen.…”

“…Leider machen die Kohäsionskräfte [42] zwischen den Später wurden zahlreiche boratbasierte NLO-Materialien entdeckt, indem Strukturmodifizierungen auf Grundlage der günstigen Schichtstrukturen von KBBF oder SBBO vorgenommen wurden. [14,15,[20][21][22][23][43][44][45][46][47] Die meisten dieser Materialien sind bis in den tiefen UV-Spektralbereich transparent, weisen beachtliche SHG-Antworten und einen günstigen Wachstumshabitus auf, jedoch erreichen noch immer nur wenige tatsächlich erhaltene Kristalle oder vorhergesagte Strukturen PM-Verhalten im tiefen UV-Spektralbereich unter 200 nm. Soweit uns bekannt (siehe Tabelle 1, Tabelle 2 und Abbildung 4), ist -außer KBBF, RBBF und SBBO-bisher für nur wenige Kristalle, darunter experimentell erhaltenes BaBe 2 BO 3 F 3 (BBBF), [43a] NH 4 Be 2 BO 3 F 2 (ABBF), [44] Be 2 BO 3 F (C2), [45] Be 2 BO 3 F (R32), [44] 43c] sowie theoretisch entworfenes LiBe 2 BO 3 F 2 (R32), [46] NaBe 2 BO 3 F 2 (R32), [46] Be 2 BO 3 F (P6 2c), [47] NaBeBO 3 (P6 c) [48] und NaBeBO 3 (P6 ), [48] zu erwarten, dass sie Tief-UV-Laserstrahlung durch das direkte SHG-Verfahren abgeben.…”

“…Aus dem Inhalt entscheidende Komponenten, die wenigstens teilweise die Ausgangsleistung und Strahlqualität von Tief-UV-Lasern bestimmen, und die folgenden notwendigen Anforderungen sollten gleichzeitig erfüllt sein: [14][15][16][17] 1) nichtzentrosymmetrische Kristallstrukturen zum Induzieren von NLO-Effekten 2) hohe Transparenz im Tief-UV-Spektralbereich mit kurzen Absorptionskanten 3) große Nichtlinearitätskoeffizienten zweiter Ordnung 4) geeignete Doppelbrechung, um PM-Verhalten im Tief-UV-Spektralbereich zu realisieren 5) hohe Laserzerstçrschwellen mit günstiger physikochemischer Stabilität 6) einfaches Wachstum großer Einkristalle mit hoher optischer Qualität…”

K5B19O31: A Deep‐Ultraviolet Congruent Melting Compound

“…The typical crystals for alkali metal borates or borates containing alkali metal are LiB 3 O 5 (LBO), CsB 3 O 5 (CBO), CsLiB 6 O 10 (CLBO), KBe 2 BO 3 F 2 (KBBF), etc . Especially, KBBF is the most famous deep‐UV NLO material, which can be used to generate the deep‐UV laser . Alkali metals have no d ‐ d and f ‐ f electronic transitions that can effectively shift the cut‐off edge to the UV or even deep‐UV spectral region …”