应用于THz辐射源的DAST衍生物晶体的设计合成、生长及性能研究

DAST晶体是迄今可实现最高转换效率和最高功率THz辐射波输出的非线性光学晶体材料，但该晶体在1.1 THz附近的强烈吸收和较低的抗激光损伤性能严重制约了其应用。本课题基于DAST晶体优异的阳离子共轭结构体系，利用分子设计和晶体工程的方法，通过引入具有畸变多面体的无机阴离子基团，克服晶体在1.1 THz处的吸收效应，探索在THz辐射领域内具有优异非线性光学性能、低吸收效应、综合物理性能优异的新型DAST衍生物光学晶体；通过对该系列衍生物晶体微观生长机制的系统研究，消除晶体生长过程中出现的各种缺陷，提高晶体的抗激光损伤性能；解决大尺寸单晶生长的关键技术，制备出高光学质量、大尺寸的体块单晶；对所获得的衍生物晶体进行THz性能参数的测试表征，为THz辐射技术向高功率、高效率方向发展提供晶体材料支撑。

太赫兹(Terahertz, THz)辐射源的研制是THz领域所面临的最重要挑战，其中非线性光学(NLO)晶体是发展高效THz波辐射源的关键材料。有机NLO晶体4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸(简称DAST)可实现高转换效率和高功率的THz波输出，但该晶体在1.1 THz附近的强烈吸收和易潮解等性能制约了其应用。因此，本课题的最主要任务是探索适用于THz辐射源的DAST衍生物晶体材料。. 首先，我们基于DAST阳离子共轭结构设计并制备了多种衍生物晶体，发现部分化合物表现出优异的二阶非线性光学性能；其次，利用“化学裁剪”对化合物的离子结构基团进行修饰，并通过调控和优化阴阳离子间的结构组成，成功制备出可应用于THz辐射源的候选材料(4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对氯苯磺酸，简称DASC)，该晶体在1.1 THz处的吸收效应明显低于DAST晶体，且具有更宽的THz光波段范围和优良的抗潮解性，结果有效地拓展了该系列晶体在THz波段的应用范围；采用不同的方法开展了大尺寸DAST及衍生物晶体的生长，通过引入活性炭等添加剂提高了生长溶液的稳定性，改善了晶体在溶液中的生长习性，从而降低了晶体中出现的宏观缺陷，成功制备出了具有较高光学质量的体块单晶(最大尺寸可达8×10.5×5.5 mm3)；我们对所获得的DAST及衍生物晶体进行了较系统的表征，研究了晶体的热学、电学、光学和抗激光损伤等性能，发现DASC晶体具备与DAST相当的性能；最后，将所获得的DAST和 DASC晶体应用于THz辐射源，研究了晶体所产生THz波的性能参数(如THz波段范围、THz场强和输出能量等)，并与商品化THz辐射源进行了定量的比较。实验结果表明：我们获得的DAST及衍生物晶体的THz性能已初步达到商用THz辐射源器件的标准，这将为进一步实现高功率、高效率THz波输出提供有力的材料支撑。