非線性光學(xué)晶體及應(yīng)用

關(guān)于非線性光學(xué)晶體及應(yīng)用第1頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月一、KBBF晶體基本介紹漢語名稱：氟代硼酸鈹鉀化學(xué)式：KBe2BO3F2單晶結(jié)構(gòu)：第2頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月一、KBBF晶體基本介紹晶格常數(shù)：a=b=0.4427nm，c=1.8744nm光性：負單軸晶破壞閾值：75GW/cm2折射率色散方程：第3頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月一、KBBF晶體基本介紹透光波段：153~3664nm晶體實物圖：第4頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月一、KBBF晶體基本介紹作用：非線性光學(xué)倍頻晶體用途：產(chǎn)生深紫外激光相干光源發(fā)現(xiàn)人：陳創(chuàng)天備注：世界上第一次實現(xiàn)177.3nm深紫外激光倍頻有效功率輸出，是唯一的在200nm到150nm這個深紫外光譜區(qū)產(chǎn)生有效輸出的非線性光學(xué)倍頻晶體第5頁，課件共27頁，創(chuàng)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電路光刻技術(shù)光電子能譜光譜技術(shù)

激光精密機械加工激光醫(yī)療化學(xué)動力學(xué)第6頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月三、深紫外激光相干光源的形成準(zhǔn)分子激光：平均功率高，光束質(zhì)量差，波段范圍窄，調(diào)諧困難自由電子激光器：調(diào)諧波段寬，輸出功率大，技術(shù)不成熟，造價高固態(tài)激光：體積小，壽命長，效率高，光束質(zhì)量好，調(diào)諧波段寬，譜線窄。前兩者可直接產(chǎn)生深紫外激光，但實用性較差，后者可通過倍頻產(chǎn)生深紫外激光且激光器工作性能好第7頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月四、激光非線性倍頻晶體介紹磷酸二氫鉀（KDP）：易生長大尺寸晶體，損傷閾值高，容許入射角大β-偏硼酸鋇（BBO）：轉(zhuǎn)換效率高，容許溫度范圍寬，損傷閾值值高三硼酸鋰（LBO）：容許入射角大，匹配頻率窄，損傷閾值值高但無論以上三種非線性倍頻晶體有什么特點，在200nm-150nm范圍內(nèi)目前只有KBBF晶體能夠做到第8頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月五、陰離子基團理論在尋找合適的非線性光學(xué)倍頻晶體過程中有一基本理論可解釋倍頻效果與晶體結(jié)構(gòu)得關(guān)系，即陰離子基團理論陰離子基團理論大意：非線性光學(xué)效應(yīng)是一種局域化的效應(yīng)，是組成晶體的基本單元陰離子基團的微觀系數(shù)的幾何迭加，陰離子基團的微觀倍頻系數(shù)可以通過陰離子基團的局域化量子化學(xué)軌道理論，通過二級微擾理論算出來。第9頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月五、陰離子基團理論根據(jù)計算，對于有氧酸鹽來說，氧原子的懸掛鍵減少有助于提高能隙（即倍頻截止邊）。在晶體排列方式及陰粒子密度方面，陰離子的緊密堆積有助于提高非線性效應(yīng)第10頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月五、陰離子基團理論對于含有偏硼酸根陰離子基團(BO3)的晶體有以下三個判據(jù)來判斷其非線性效應(yīng)1)晶格中(BO3)基團的三個終端氧與其他原子相連以消除終端氧的懸掛鍵；2)(BO3)基團在晶格中保持平面同向排列以產(chǎn)生大的雙折射和宏觀倍頻系數(shù)；3)單位體積內(nèi)(BO3)基團的數(shù)目盡可能多第11頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月五、陰離子基團理論在這三個判據(jù)下KBBF晶體具有三個特點1）氧懸掛鍵少2）(BO3)基團排列緊密，密度較高3）由于(BO3)基團排列緊密，其同向性好由此在理論上可知KBBF是一種很好的非線性光學(xué)倍頻晶體，而在實驗上它也表現(xiàn)了優(yōu)異的性能。第12頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月六、KBBF晶體的制備晶體生長中所遇到的問題1）KBBF是一個非一致熔融化合物,在熔點時分解,所以不能用熔體法生長晶體2）由于KBBF是一種面間距非常大的層狀結(jié)構(gòu)化合物,晶體難于長厚,并且容易出現(xiàn)疊層生長。KBBF晶體單胞第13頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月六、KBBF晶體的制備具體生長方法1）熔鹽法熔鹽合成法通常采用一種或數(shù)種低熔點的鹽類作為反應(yīng)介質(zhì)，反應(yīng)物在熔鹽中有一定的溶解度，使得反應(yīng)在原子級進行。反應(yīng)結(jié)束后，采用合適的溶劑將鹽類溶解，經(jīng)過濾洗滌后即可得到合成產(chǎn)物。其中低熔點的鹽類被稱為助溶劑第14頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月六、KBBF晶體的制備目前報道的使用熔鹽法制備最佳效果是中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所陳創(chuàng)天等人使用KF-B2O3-BeF2-BeO自助熔劑體系發(fā)展了“局域自發(fā)成核”KBBF晶體生長技術(shù)，獲得厚度達3.7mm的透明單晶。2）水熱法水熱法的一般做法是將合適比例的反應(yīng)物溶劑投入反應(yīng)釜或坩堝中，再對體系進行升溫-保溫-降溫過程，在保溫階段完成反應(yīng)成核生長第15頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月六、KBBF晶體的制備目前報道的使用水熱法制備的最佳結(jié)果是福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)所唐鼎元等人以KBF4，BeO和B2O3為原料，在750℃恒溫48h（固相反應(yīng)），其產(chǎn)物經(jīng)固態(tài)燒結(jié)（800℃）后得到籽晶。并使用籽晶在KF及H3BO3水溶液中經(jīng)二區(qū)加熱（生長區(qū)300-400℃，溶解區(qū)350-420℃）生長20-100d得到較大晶體。通過這種方法得到了厚度超過10mm的晶體。第16頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月七、KBBF晶體的工作性能1）雙折射率雙折射是保證相位匹配條件的關(guān)鍵因素。若雙折射太小，會導(dǎo)致倍頻效率太低；雙折射太大，不能實現(xiàn)溫度匹配，且相位匹配較差。適中的雙折射率應(yīng)該是?n在0.06≤?n≤0.1之間。KBBF晶體雙折射率系數(shù)在0.075-0.1之間，比較適中。第17頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月七、KBBF晶體的工作性能2）匹配相位角KBBF晶體I類倍頻基波的下限波長為323nm，直接倍頻產(chǎn)生的諧波波長為161.5nm，相位匹配角為87.33025°，是目前直接倍頻匹配波長最短的晶體，晶體可在200nm以下的深紫外波段實現(xiàn)相位匹配第18頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月七、KBBF晶體的工作性能3）有效性非線性系數(shù)在KBBF晶體I類倍頻產(chǎn)生的深紫外波段161.5-200nm有效非線性系數(shù)為0.02282-0.29852pm/v第19頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月七、KBBF晶體的工作性能4）倍頻轉(zhuǎn)換效率及功率利用TiSapphire激光，獲得了200nm的深紫W倍頻轉(zhuǎn)換效率達到13%。并得到了平均功率為11.6mW的193.5nm深紫外光。利用NdYVO4激光的諧波光實現(xiàn)177.3nm輸出，平均功率達41mW。當(dāng)然，倍頻效率與基波強度及晶體長度有比較復(fù)雜的關(guān)系，在這方面，轉(zhuǎn)換效率不再單一是晶體的性能。第20頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月七、KBBF晶體的工作性能一般來說，倍頻效率不僅與基波電場初始強度有關(guān)，而且與晶體長度有關(guān)，倍頻效率隨晶體長度的增大而增加并逐漸達到同一飽和限度；同一晶體長度，基波功率越高，倍頻效率越高；基波功率愈大，高斯光束達到飽和效率所需晶體長度愈短；不同的基波功率均隨著晶體長度的增加而或早或晚地達到同一飽和效率。晶體長度并不是越長越好，還應(yīng)該考慮損耗第21頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月八、KBBF棱鏡耦合裝置由于KBBF晶體層間距較大，在加工時他極容易沿Z方向發(fā)生解理。所以相匹配角的要求進行切割、加工極困難。此外，KBBF晶體在Z軸方向難以形成較厚的晶體。為了解決這兩個問題北京理化所陳創(chuàng)天的課題組發(fā)明了KBBF棱鏡耦合裝置。第22頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月八、KBBF棱鏡耦合裝置在兩個紫外級石英棱鏡之間按一定方向放置一塊KBBF晶體,在石英和KBBF晶體之間,填充相應(yīng)的折射率匹配液即是KBBF棱鏡耦合裝置。第23頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月八、KBBF棱鏡耦合裝置通過使用KBBF棱鏡耦合裝置解決了KBBF加工困難和Z方向厚度小的問題，同時通過裝置的整體轉(zhuǎn)動可以適應(yīng)各種匹配角，或者通過調(diào)整石英的切割角度來調(diào)整基光入射角。第24頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月九、應(yīng)用與展望現(xiàn)使用KBBF晶體已經(jīng)可獲得瓦級200nm和41mW177.3nm的相干光,并獲得了從232.5-170nm的Ti寶石激光的可調(diào)諧四倍頻諧波光輸出。這已可應(yīng)用于大部分實際所需,如超高能量分辨率光電子能譜儀、深紫外激光光電子顯微鏡、193nm光刻技術(shù)等。此外,隨著晶體生長技術(shù)的改進,在得到更大更厚的晶體之后,KBBF族晶體將可獲得深紫外光譜區(qū)的更高功率輸出和更廣泛的應(yīng)用。第25頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月十、參考資料陳創(chuàng)天，姚文嬌KBBF族非線性光學(xué)晶體的發(fā)現(xiàn)及其深紫外諧波輸出能力光學(xué)學(xué)報