KBBF非线性光学晶体及应用

1、KBBF非线性光学晶体及应用,KBBF非线性光学晶体及应用,报告人,KBBF非线性光学晶体及应用,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：,KBBF非线性光学晶体及应用,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 ：75 GW/cm2 折射率色散方程：,KBBF非线性光学晶体及应用,一、KBBF晶体基本介绍,透光波段： 1533664nm 晶体实物图：,KBBF非线性光学晶体及应用,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

2、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,KBBF非线性光学晶体及应用,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,KBBF非线性光学晶体及应用,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

3、过倍频产生深紫外激光且激光器工作性能好,KBBF非线性光学晶体及应用,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 -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,KBBF非线性光学晶体及应用,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

4、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。,KBBF非线性光学晶体及应用,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,KBBF非线性光学晶体及应用,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

5、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,KBBF非线性光学晶体及应用,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。,KBBF非线性光学晶体及应用,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,

6、 并且容易出现叠层生长。,KBBF晶体单胞,KBBF非线性光学晶体及应用,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,KBBF非线性光学晶体及应用,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

7、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,KBBF非线性光学晶体及应用,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 48 h（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。,KBBF非线性光学晶体及应用,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

8、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。,KBBF非线性光学晶体及应用,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 323 nm，直接倍频产生的谐波波长为161.5 nm，相位匹配角为87.330 25，是目前直接倍频匹配波长最短的晶体，晶体可在200 nm以下的深紫外波段实现相位匹配,KBBF非线性光学晶体及应用,七、KBBF晶体的工作性能,3）有效性非线性系数 在 KBBF 晶体

9、I 类倍频产生的深紫外波段 161.5-200 nm 有效非线性系数为0.02282-0.29852 pm/v,KBBF非线性光学晶体及应用,七、KBBF晶体的工作性能,4）倍频转换效率及功率 利用 Ti Sapphire激光，获得了 200 nm 的深紫W倍频转换效率达到 13%。并得到了平均功率为 11.6 mW 的 193.5 nm深紫外光 。 利用 Nd YVO4 激光的谐波光实现177.3nm输出 ，平均功率达 41 mW。 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。,KBBF非线性光学晶体及应用,七、KBBF晶体的工作性能,一般来说

10、，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,KBBF非线性光学晶体及应用,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。,KBBF

11、非线性光学晶体及应用,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。,KBBF非线性光学晶体及应用,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。,KBBF非线性光学晶体及应用,九、应用与展望,现使用KBBF晶体已经可获得瓦级200 nm 和41 mW 177. 3 nm 的相干光,并获得了从232. 5-170 nm 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、 193 nm 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。,KBBF非线性光学晶体及应用,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 宋春荣，赵建君等 非线性晶体KBe2BO3F2 的深紫外输出特性 兵器材料科学与工程 陈创天，许祖彦 KBBF晶体的棱镜耦合技术和深紫外谐波输出 人工晶体学报 唐鼎元，叶宁等 水热法生长 KB