La3Ga5HfO14: Rare-Earth Polyhedron Coupled with Structural Protected Octahedron for Designing Nonlinear Optical Material with Wide Bandgap and Well-Balanced Properties

化学 八面体 多面体 稀土 带隙 非线性光学 结晶学 非线性系统 化学物理 矿物学 晶体结构 凝聚态物理 几何学 物理 数学 量子力学
作者
Jingxuan Hou,Dingxuan Zhao,Zifan Xu,Shihui Ma,Jiajia Wang,Hongwei Yu,Guang Peng,Ning Ye,Zhanggui Hu
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.5c00959
摘要

Laser damage threshold (LDT) is one of the key parameters of nonlinear optical (NLO) crystals, which can seriously affect the energy output of frequency conversion laser. The traditional design of NLO crystals introduces strongly distorted structural units, which hope to obtain an enhanced second harmonic generation (SHG) coefficient. However, this approach presents a fundamental conflict with the bandgap; it inevitably induces bandgap compression, which in turn significantly degrades the LDT. Herein, we propose a highly symmetric octahedron [HfO6] to enhance the bandgap of La3Ga5SiO14 (LGS) while keeping sufficient SHG response. Incorporating Hf into the LGS framework allows us to leverage the symmetry protection of the octahedra, effectively mitigating the bandgap reduction typically associated with cation energy level splitting in the distorted octahedra. We successfully synthesized a novel NLO crystal La3Ga5HfO14 (LGHf), which possesses a wide bandgap of 5.06 eV, which leads to a significantly enhanced LDT of 1.59 GW/cm2 (@ 1064 nm), while its SHG intensity reaches 3.5 × KH2PO4 (@1064 nm) and 0.35 × AgGaS2 (@ 2090 nm). This design strategy successfully achieves the synergistic optimization between wide bandgap characteristics and balanced NLO response, offering a new material solution for high-power mid-infrared laser systems.
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