参考倍频法测量立方氮化硼晶体的二阶非线性光学极化率-

1、参考倍频法测量立方氮化硼晶体的二阶非线性光学 极化率立方氮化硼晶体是一种山-V族化合物材料，有着非常优异 的物理性质。 它在硬度和热导率上只略低于金刚石， 其热稳定性 极佳，只有温度超过1200C时立方氮化硼晶体才会被氧化。立 方氮化硼是一种宽禁带材料，其禁带宽度约为 6.3eV1 ，可以 在合成过程掺杂某些的杂质， 使其成为N型或者P型的材料。立 方氮化硼的吸收边约为197nm,整个可见光、红外和大部分的紫 外波段都是透明的，纯净的立方氮化硼晶体无色透明 2 因此它 也被视作一种良好的光学材料。立方氮化硼晶体的晶体结构为闪锌矿结构， 宏观对称性属于 点群。依据非线性光学理论可知， 立方氮化硼

2、晶体可以产生二阶 非线性光学效应。 目前人们研究立方氮化硼的非线性光学性质的 报道非常少， 因此我们设计实验， 采用参考倍频法测量了立方氮 化硼晶体的二阶非线性光学极化率。1 实验方案的理论推导我们采用与立方氮化硼同种晶格结构的、 相同的通光方向的 磷化稼材料作为参考材料，选用Q开关Nd: YAG脉冲激光器作为 测量系统的光源来进行立方氮化硼的二阶非线性光学极化率的 测量。利用基频光与倍频光的对比关系， 通过与磷化镓对比即可 得到关于立方氮化硼与磷化镓二阶非线性光学极化率的比例关 系，由于磷化镓的二阶非线性光学极化率是己知的， 并且所需要 的其它数据是己知的或可测定的， 从而求得立方氮化硼的二

3、阶非 线性光学极化率。依据倍频理论知 3 ，在小信号近似的条件下，倍频光和基 频光的强度满足下式。（1）这里 L 是晶体的通光长度，是有效非线性系数；将描写为 折射率和波长的函数，可得，把这一式子带入（1）式中，得到（2）为测量立方氮化硼的二阶非线性光学极化率， 需采用与其晶 体结构相同且通光方向相同、 二阶非线性光学极化率已知的晶体 材料。依据这一原则，我们选择磷化镓作为对比材料进行试验。 为方便起见， 立方氮化硼的参数仍采用原式， 磷化镓的参数采用 加上标？来表示， 因而可以得到立方氮化硼与磷化镓的有效非线 性系数之间的关系如下式所示。根据上式，我们只需测量三个物理量即可得到立方氮化硼的

4、二阶非线性光学极化率，这三个量分别是立方氮化硼的通光长 度、磷化镓的通光长度、 立方氮化硼和磷化镓的倍频光强度的比 值。2 实验设计理想的CBN晶体是正八面体形状，各个面均为 111面。但 是我们实验中采用的立方氮化硼晶体为发育不完全的正八面体， 裸露在外的面都是 111 面，上下两面较大，侧面为不规则的小 面，且侧面与上下底面不垂直， 实验中所用样品很小， 尺寸约为， 其实际形状如图 1 所示。根据理论分析的结果知， 本实验中应满足以下三个条件才能 完成对立方氮化硼的二阶非线性光学极化率的测量， 一是通光方 向相同， 即沿着相同的晶向入射； 二是由于倍频光的强度与入射 的基频光的偏振方向有关

5、系， 因此必须使得入射到这两种晶体内 的基频光偏振相同； 三是在测量立方氮化硼及磷化镓的倍频光强 时必须采用同一套光路。在本实验中，选用磷化镓为对比材料， 其通光面与立方氮化硼同为（ 111）面，这使得第一条满足；由 于该实验的通光都是正入射， 即垂直于通光面入射， 所以以入射 线为轴线，绕轴线旋转样品，使之倍频光强度最大之时，则可保 证立方氮化硼与磷化镓的偏振角度达到相同，这使得第二条满 足；在实验中将光路调好之后， 测量立方氮化硼和磷化镓的倍频 光强度之时都不改变光路，第三条也可以保证。波长为1064nm的调Q脉冲Nd: YAG激光器作为实验中的光 源使用。前一个聚焦透镜的目的是聚焦入射光

6、束以提高单位面积 上的光功率， 使得倍频效应更显著。 后一个聚焦透镜的作用是使 出射的光束转变为平行光。 待测晶体所放置的位置应在聚焦透镜 的焦点上。 由于透过待测晶体的光包含有基频光和倍频光， 而要 测量的量只是倍频光， 因此必须要把基频光与倍频光在空间上分 开，故此光路中使用了三棱镜来进行分光， 从出射光中将倍频光 分离出来， 光路中的遮光板将基频光的光束遮住， 仅允许倍频光 通过。用硅光电探测器和示波器来测量倍频光的相对光强。3 实验结果及结果分析 采用上述的实验方案和光路分别对立方氮化硼和磷化镓晶 体进行倍频实验，测得的倍频光相对光强如表 1 所示。本实验中，我们的实验是建立在基频光和倍频光的折射率近 似相等的条件上的。 事实上基频光和倍频光的折射率不相等， 这 样近似的结果会使得测得的二阶非线性系数存在偏差。