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技術(shù)前沿

中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所生長(zhǎng)出有望獲得深紫外激光的英寸級(jí)晶體

激光制造網(wǎng) 來(lái)源:中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所2023-12-28 我要評(píng)論(0 )   

深紫外(波長(zhǎng)200 nm)非線(xiàn)性光學(xué)晶體在高精度光刻、深空通信、超高分辨能譜儀、寬波段光譜儀等高技術(shù)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。相位匹配是非線(xiàn)性光學(xué)晶體實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換的必要條...

深紫外(波長(zhǎng)<200 nm)非線(xiàn)性光學(xué)晶體在高精度光刻、深空通信、超高分辨能譜儀、寬波段光譜儀等高技術(shù)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。相位匹配是非線(xiàn)性光學(xué)晶體實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換的必要條件,傳統(tǒng)的非線(xiàn)性光學(xué)晶體通?;陔p折射原理實(shí)現(xiàn)相位匹配。然而在深紫外波段,大量非線(xiàn)性光學(xué)晶體由于過(guò)小的雙折射率而難以實(shí)現(xiàn)雙折射相位匹配。準(zhǔn)相位匹配技術(shù)通過(guò)在晶體中構(gòu)建非線(xiàn)性系數(shù)周期反轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu),使能量不斷由基頻光流向倍頻光,從而實(shí)現(xiàn)倍頻光的高效輸出。與雙折射相位匹配相比,該技術(shù)具有不依賴(lài)材料雙折射率、匹配波段寬、可以利用材料的最大非線(xiàn)性系數(shù)等優(yōu)點(diǎn),是在深紫外波段實(shí)現(xiàn)相干光高效輸出的有效方法。然而,目前適用于深紫外波段準(zhǔn)相位匹配輸出的非線(xiàn)性光學(xué)晶體仍然非常稀少。
中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所趙三根研究員等在水溶液中成功生長(zhǎng)了英寸級(jí)透明LiNH4SO4單晶。電滯回線(xiàn)和變溫非線(xiàn)性光學(xué)測(cè)試等證實(shí)LiNH4SO4晶體具有鐵電性。通過(guò)施加單向極化電壓,成功獲得了LiNH4SO4的單疇化樣品。LiNH4SO4晶體的透光范圍可到極短的171 nm,具有適中的二階非線(xiàn)性光學(xué)系數(shù)(0.33 pm/V),且可承受最高達(dá)1.47GW/cm-2的激光照射而不損壞。通過(guò)最小偏向角法精確測(cè)定了LiNH4SO4的波長(zhǎng)依賴(lài)折射率并擬合了其色散方程,結(jié)果表明LiNH4SO4具有極低的折射率色散,使得該晶體在倍頻光波長(zhǎng)177.3 nm處的一階準(zhǔn)相位匹配周期達(dá)1.4 μm,表明有望采用現(xiàn)有極化工藝加工其準(zhǔn)相位匹配倍頻器件來(lái)直接得到深紫外激光。以上結(jié)果說(shuō)明了LiNH4SO4是深紫外激光變頻的有力候選材料。第一性原理計(jì)算的結(jié)果表明LiNH4SO4的非線(xiàn)性光學(xué)響應(yīng)和寬透光范圍主要源自于SO42-四面體基元的貢獻(xiàn),而其較低的折射率色散則主要是由于LiNH4SO4晶體中Li+、NH4+陽(yáng)離子和SO42-基元電子的的高度局域性。這一發(fā)現(xiàn)為發(fā)展深紫外準(zhǔn)相位匹配非線(xiàn)性光學(xué)晶體提供了一條有效途徑。
該成果發(fā)表在Advanced Functional Materials,題為A Ferroelectric Nonlinear Optical Crystal for Deep-UV Quasi-Phase-Matching。中國(guó)科學(xué)院大學(xué)博士研究生宋一鵬為論文的第一作者,福建物構(gòu)所李丙軒副研究員為論文的共同通訊作者。

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圖1 (a) 雙折射相位匹配和準(zhǔn)相位匹配對(duì)比示意圖;(b) LiNH4SO4晶體鐵電相;(c) 順電相晶體結(jié)構(gòu)示意圖

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圖2 (a) [011]方向 (b) [001]方向籽晶生長(zhǎng)的LiNH4SO4晶體;(c) LiNH4SO4晶體變溫非線(xiàn)性光學(xué)測(cè)試;(d) 變溫非線(xiàn)性光學(xué)循環(huán)測(cè)試;(e) LiNH4SO4晶體413K下P-EJ-E曲線(xiàn);(g) LiNH4SO4晶體180°鐵電疇圖像;(h) 單疇化的LiNH4SO4晶體

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圖3 (a) LiNH4SO4晶體深紫外透過(guò)光譜;(b) LiNH4SO4晶體Maker條紋;(c) LiNH4SO4晶體被納秒激光損傷(d)前(e)后的光學(xué)顯微圖像;用于LiNH4SO4折射率的三角棱鏡(e) (100)方向通光;(f) (001)方向通光;(g) LiNH4SO4晶體折射率色散方程;(h) LiNH4SO4晶體532 nm處光率體

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圖4 LiNH4SO4晶體和頻和差頻過(guò)程的一階準(zhǔn)相位匹配周期

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圖5 LiNH4SO4的電子能帶結(jié)構(gòu);(b) LiNH4SO4的態(tài)密度/部分態(tài)密度圖;(c) LiNH4SO4的HOMO;(d) LiNH4SO4的LUMO
論文信息

A Ferroelectric Nonlinear Optical Crystal for Deep-UV Quasi-Phase-Matching

Yipeng Song, Hongwei Yu, Bingxuan Li, Xiaoqi Li,* Yang Zhou, Yanqiang Li, Chao He, Ge Zhang, Junhua Luo, and Sangen Zhao*

DOI: 10.1002/adfm.202310407


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