非线性光学晶体及应用

关于非线性光学晶体及应用第1页，课件共27页，创作于2023年2月一、KBBF晶体基本介绍汉语名称：氟代硼酸铍钾化学式：KBe2BO3F2单晶结构：第2页，课件共27页，创作于2023年2月一、KBBF晶体基本介绍晶格常数：a=b=0.4427nm，c=1.8744nm光性：负单轴晶破坏阈值：75GW/cm2折射率色散方程：第3页，课件共27页，创作于2023年2月一、KBBF晶体基本介绍透光波段：153~3664nm晶体实物图：第4页，课件共27页，创作于2023年2月一、KBBF晶体基本介绍作用：非线性光学倍频晶体用途：产生深紫外激光相干光源发现人：陈创天备注：世界上第一次实现177.3nm深紫外激光倍频有效功率输出，是唯一的在200nm到150nm这个深紫外光谱区产生有效输出的非线性光学倍频晶体第5页，课件共27页，创作于2023年2月二、深紫外激光相干光源的作用新一代的集成电路光刻技术光电子能谱光谱技术

激光精密机械加工激光医疗化学动力学第6页，课件共27页，创作于2023年2月三、深紫外激光相干光源的形成准分子激光：平均功率高，光束质量差，波段范围窄，调谐困难自由电子激光器：调谐波段宽，输出功率大，技术不成熟，造价高固态激光：体积小，寿命长，效率高，光束质量好，调谐波段宽，谱线窄。前两者可直接产生深紫外激光，但实用性较差，后者可通过倍频产生深紫外激光且激光器工作性能好第7页，课件共27页，创作于2023年2月四、激光非线性倍频晶体介绍磷酸二氢钾（KDP）：易生长大尺寸晶体，损伤阈值高，容许入射角大β-偏硼酸钡（BBO）：转换效率高，容许温度范围宽，损伤阈值值高三硼酸锂（LBO）：容许入射角大，匹配频率窄，损伤阈值值高但无论以上三种非线性倍频晶体有什么特点，在200nm-150nm范围内目前只有KBBF晶体能够做到第8页，课件共27页，创作于2023年2月五、阴离子基团理论在寻找合适的非线性光学倍频晶体过程中有一基本理论可解释倍频效果与晶体结构得关系，即阴离子基团理论阴离子基团理论大意：非线性光学效应是一种局域化的效应，是组成晶体的基本单元阴离子基团的微观系数的几何迭加，阴离子基团的微观倍频系数可以通过阴离子基团的局域化量子化学轨道理论，通过二级微扰理论算出来。第9页，课件共27页，创作于2023年2月五、阴离子基团理论根据计算，对于有氧酸盐来说，氧原子的悬挂键减少有助于提高能隙（即倍频截止边）。在晶体排列方式及阴粒子密度方面，阴离子的紧密堆积有助于提高非线性效应第10页，课件共27页，创作于2023年2月五、阴离子基团理论对于含有偏硼酸根阴离子基团(BO3)的晶体有以下三个判据来判断其非线性效应1)晶格中(BO3)基团的三个终端氧与其他原子相连以消除终端氧的悬挂键；2)(BO3)基团在晶格中保持平面同向排列以产生大的双折射和宏观倍频系数；3)单位体积内(BO3)基团的数目尽可能多第11页，课件共27页，创作于2023年2月五、阴离子基团理论在这三个判据下KBBF晶体具有三个特点1）氧悬挂键少2）(BO3)基团排列紧密，密度较高3）由于(BO3)基团排列紧密，其同向性好由此在理论上可知KBBF是一种很好的非线性光学倍频晶体，而在实验上它也表现了优异的性能。第12页，课件共27页，创作于2023年2月六、KBBF晶体的制备晶体生长中所遇到的问题1）KBBF是一个非一致熔融化合物,在熔点时分解,所以不能用熔体法生长晶体2）由于KBBF是一种面间距非常大的层状结构化合物,晶体难于长厚,并且容易出现叠层生长。KBBF晶体单胞第13页，课件共27页，创作于2023年2月六、KBBF晶体的制备具体生长方法1）熔盐法熔盐合成法通常采用一种或数种低熔点的盐类作为反应介质，反应物在熔盐中有一定的溶解度，使得反应在原子级进行。反应结束后，采用合适的溶剂将盐类溶解，经过滤洗涤后即可得到合成产物。其中低熔点的盐类被称为助溶剂第14页，课件共27页，创作于2023年2月六、KBBF晶体的制备目前报道的使用熔盐法制备最佳效果是中国科学院理化技术研究所陈创天等人使用KF-B2O3-BeF2-BeO自助熔剂体系发展了“局域自发成核”KBBF晶体生长技术，获得厚度达3.7mm的透明单晶。2）水热法水热法的一般做法是将合适比例的反应物溶剂投入反应釜或坩埚中，再对体系进行升温-保温-降温过程，在保温阶段完成反应成核生长第15页，课件共27页，创作于2023年2月六、KBBF晶体的制备目前报道的使用水热法制备的最佳结果是福建物质结构所唐鼎元等人以KBF4，BeO和B2O3为原料，在750℃恒温48h（固相反应），其产物经固态烧结（800℃）后得到籽晶。并使用籽晶在KF及H3BO3水溶液中经二区加热（生长区300-400℃，溶解区350-420℃）生长20-100d得到较大晶体。通过这种方法得到了厚度超过10mm的晶体。第16页，课件共27页，创作于2023年2月七、KBBF晶体的工作性能1）双折射率双折射是保证相位匹配条件的关键因素。若双折射太小，会导致倍频效率太低；双折射太大，不能实现温度匹配，且相位匹配较差。适中的双折射率应该是∆n在0.06≤∆n≤0.1之间。KBBF晶体双折射率系数在0.075-0.1之间，比较适中。第17页，课件共27页，创作于2023年2月七、KBBF晶体的工作性能2）匹配相位角KBBF晶体I类倍频基波的下限波长为323nm，直接倍频产生的谐波波长为161.5nm，相位匹配角为87.33025°，是目前直接倍频匹配波长最短的晶体，晶体可在200nm以下的深紫外波段实现相位匹配第18页，课件共27页，创作于2023年2月七、KBBF晶体的工作性能3）有效性非线性系数在KBBF晶体I类倍频产生的深紫外波段161.5-200nm有效非线性系数为0.02282-0.29852pm/v第19页，课件共27页，创作于2023年2月七、KBBF晶体的工作性能4）倍频转换效率及功率利用TiSapphire激光，获得了200nm的深紫W倍频转换效率达到13%。并得到了平均功率为11.6mW的193.5nm深紫外光。利用NdYVO4激光的谐波光实现177.3nm输出，平均功率达41mW。当然，倍频效率与基波强度及晶体长度有比较复杂的关系，在这方面，转换效率不再单一是晶体的性能。第20页，课件共27页，创作于2023年2月七、KBBF晶体的工作性能一般来说，倍频效率不仅与基波电场初始强度有关，而且与晶体长度有关，倍频效率随晶体长度的增大而增加并逐渐达到同一饱和限度；同一晶体长度，基波功率越高，倍频效率越高；基波功率愈大，高斯光束达到饱和效率所需晶体长度愈短；不同的基波功率均随着晶体长度的增加而或早或晚地达到同一饱和效率。晶体长度并不是越长越好，还应该考虑损耗第21页，课件共27页，创作于2023年2月八、KBBF棱镜耦合装置由于KBBF晶体层间距较大，在加工时他极容易沿Z方向发生解理。所以相匹配角的要求进行切割、加工极困难。此外，KBBF晶体在Z轴方向难以形成较厚的晶体。为了解决这两个问题北京理化所陈创天的课题组发明了KBBF棱镜耦合装置。第22页，课件共27页，创作于2023年2月八、KBBF棱镜耦合装置在两个紫外级石英棱镜之间按一定方向放置一块KBBF晶体,在石英和KBBF晶体之间,填充相应的折射率匹配液即是KBBF棱镜耦合装置。第23页，课件共27页，创作于2023年2月八、KBBF棱镜耦合装置通过使用KBBF棱镜耦合装置解决了KBBF加工困难和Z方向厚度小的问题，同时通过装置的整体转动可以适应各种匹配角，或者通过调整石英的切割角度来调整基光入射角。第24页，课件共27页，创作于2023年2月九、应用与展望现使用KBBF晶体已经可获得瓦级200nm和41mW177.3nm的相干光,并获得了从232.5-170nm的Ti宝石激光的可调谐四倍频谐波光输出。这已可应用于大部分实际所需,如超高能量分辨率光电子能谱仪、深紫外激光光电子显微镜、193nm光刻技术等。此外,随着晶体生长技术的改进,在得到更大更厚的晶体之后,KBBF族晶体将可获得深紫外光谱区的更高功率输出和更广泛的应用。第25页，课件共27页，创作于2023年2月十、参考资料陈创天，姚文娇KBBF族非线性光学晶体的发现及其深紫外谐波输出能力光学学报