硼酸盐非线性光学晶体材料原理介绍.ppt

,硼酸盐非线性光学晶体材料报告人：,具有大的非线性光学系数。非线性光学晶体的首要基本条件应该是具有大的非线性光学系数，因为倍频光的转换效率和晶体有效倍频系数d的平方成正比关系。但是，由于现有的激光器功率可达到很高的水平，纵使非线性极化率并不大，所要获得的非线性光学效应依旧可以通过增强入射激光功率的办法来得以加强。P2/P1d2P1具有适当大小的双折射率。对于非线性光学晶体的倍频应用而言，双折射率太小晶体可能无法实现相位匹配，或者相位匹配范围太小。而双折射率太大使走离效应增大，使得二次谐波的功率密度降低。,走离效应：在整个晶体长度中，不同偏振态的基波与二次谐波的光线方向逐渐分离，从而使转换效率下降。走离效应使得基波在晶体内沿传播方向感应的极化强度不断辐射出的二次谐波始终偏离基波角，所以从晶体中射出的二次谐波光斑被拉长了，即走离效应使得二次谐波的功率密度降低。,光线方向,光学透过范围宽，在工作波段有较高的透明度。目前探索新晶体的重点是用于紫外，特别是深紫外区（200nm）以及中红外区（0.1）。BBO晶体具有宽的相位匹配（205-290nm），因而不能通过直接倍频实现深紫外光的输出，但可以通过和频方法得到有效的193nm输出；宽的透光范围（190-3500nm）；大的倍频系数（约6倍KDP）；高的激光损伤阈值（约为10GW/cm2）等优点。但在BBO晶体中B3O6基团是孤立的，因而存在悬挂键，使得吸收边较长（cut-off190nm），从而限制了该晶体深紫外区的谐波输出。,共轭轨道，电子的局域化增强，使得B-O集团的极化率增强，从而使得晶体具有较大的倍频系数。另外，这种含有悬挂键的共轭轨道的B3O6基团倾向于层状平行分布，这种结构使得晶体沿着不同方向的折射率差别较大，即双折射较大。,LBO晶体LBO的基本结构基团为B3O7,由于在LBO中B3O7基团是可以互相连接的，从而消除了悬挂键，使其吸收边紫移（cut-off160nm）。LBO具有比BBO更宽的透光范围（160-2600nm），相对地大的有效SHG系数（约3倍KDP），高的损伤阈值（18.9GW/cm2），在宽的波段范围内可实现型和型非临界相位匹配。但是由于基团沿着z轴呈现45螺旋链构型导致其双折射率太小（n0.055），所以LBO实现倍频输出的最短波长只能达到275nm，因而LBO也不能通过倍频实现深紫外光的输出。,陈创天院士等人根据阴离子集团理论计算了B-O集团的倍频系数大小。结果显示：平面的BO3基团有较大的微观倍频系数，而四面体的BO4基团的微观倍频系数相对小得多。硼氧阴离子基团微观倍频系数大小的排列为：,根据BBO和LBO的研究发现：B3O6因为具有悬挂键而使得晶体的带隙较小，紫外截止边较大，不是实现深紫外倍频输出。B3O7基团通过互相连接消除了悬挂键，提高了带隙降低了紫外截止边，但其双折射太小使得相位匹配范围太小，不能包括深紫外区域，因而也不能实现深紫外倍频输出。上世纪90年代初，陈创天课题组开始将BO3基团作为探索下一代紫外非线性光学晶体的基本结构单元。当BO3基团三个终端氧原子(danglingbond)与其它原子相连后，消除了终端氧的悬挂键时，能量带隙可增大到8.27eV，吸收边将紫移至150nm左右；同时，虽然单个BO3基团的微观倍频系数小于B3O6基团和B3O7基团，但BO3基团所占的空间体积小，因此只要晶格中单位体积内BO3基团的数量比B3O6基团和B3O7基团的数量多，该类化合物仍可产生较大的宏观倍频系数。在这一思想的指导下，陈创天课题组发现了KBe2BO3F2(KBBF)晶体。,KBBF晶体并不是陈创天院士团队原创，而是之前已经被发现但是没有人探究其性能。,KBBF晶体用氟离子取代氧离子，导致电负性差异更大，有利于紫外光的透过。KBBF晶体结构包含BO3硼氧基团和BeO3F四面体基团，BO3硼氧基团之间平行排列，基团与基团间共用氧原子，形成无限二维平面网络结构，使其具有合适的双折射率（可见光区的双折射率为0.07-0.077）。宽的透光范围(1553800nm)，是目前唯一能实现1064nm激光六倍频输出的非线性光学晶体。倍频系数约为2倍KDP。但由于晶体结构中的BO3三角形和BeO3F四面体形成层，而层与层之间通过K+和F-相连，键合力较弱，因而层状习性严重，晶体生长较困难。,近些年来，为改善KBBF晶体的各种缺点，中国科学家又进行了一系列的研究。改善KBBF晶体层状结晶习性RbBe2BO3F2(简称RBBF)，利用原子半径更大的Rb代替KBe2BO3F2中的K，从而使得RbBe2BO3F2晶体的层间距减小，改善了KBBF晶体的层状生长问题。NH4Be2BO3F2（简称ABBF）晶体具有相似的原理，因为NH(4+)与F之间的氢键比K-F离子键强很多，因而NH(4+)离子团较K+离子对层与层之间有更强的结合力,ABBF较KBBF很可能会拥有更好的层状生长性能。改善KBBF晶体中高毒的Be元素Rb3Al3B3O10F（简称RABF）利用Al3+取代有毒的Be2+，设计合成了一种新型无铍深紫外NLO材料RABF。RABF继承了KBBF晶体的结构优点，其结构中Al3(BO3)OF平面层继承了KBBF晶体中BO33-非线性基元的高度取向一致排列方式，从而保留了KBBF良好的光学性能。RABF中Al3(BO3)O