硼酸盐非线性光学晶体材料原理介绍.ppt

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1、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。η＝P2/P1∝d2P1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。相位匹配非相位匹配单轴晶

2、来说能够实现相位匹配的条件为n(ω)=n(2ω)。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α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（λ<200nm）以及中红外区（λ<15~10μm）的可实用化的非线性光学晶体。对于这类非线性光学晶体，我们要求它们有宽的透光范围

3、。例如对能用于深紫外倍频的非线性光学晶体，一般要求其在紫外区的透光范围达到λ≈150nm附近；而对于在中红外区使用的非线性光学晶体，则要求其在红外区的截止波长达到λ=15~20μm。双折射率太小不能实现相位匹配双折射率小相位匹配范围太窄双折射率大相位匹配范围宽相位匹配区间：能够实现Ⅰ类相位匹配的波长范围。相位匹配范围对于晶体的应用非常重要，在一定程度上决定了晶体的工作区间。例如LBO晶体的双折射率只有Δn=0.045左右。因此，尽管LBO具有很宽的带隙，在紫外区截止波长可达到150nm，但是它们的双折射率太小，使得这类晶体的可相

4、位匹配范围只能达到270nm。也就是说：LBO晶体不能通过倍频的方式实现200nm以下相干光输出。具有高的抗激光损伤阈值。激光能量的高度集中会引起介质内部或表面的局部变形甚至完全被损坏。介质在单位面积上所能承受的最大激光功率，称为该介质的激光损伤阀值。非线性光学晶体的倍频转换效率η＝P2/P1∝d2P1，倍频转换效率和基频光波的功率密度成正比。这说明只要晶体能够承受高的基频光波的功率密度，则尽管非线性光学系数d比较小，一般说来也能得到较高的转换效率和更大的激光输出功率。一般来说晶体的带隙越大晶体的激光损伤阈值越大。带隙越大，晶体

5、的本征吸收越小，即晶体吸收越少的紫外光（紫外光的能量较大），晶体中的产热较小晶体不容易受到损伤。带隙越大双光子吸收概率越小，减小了晶体局部过热的概率。紫外/深紫外波段的频率转换晶体主要集中在硼酸盐体系，其原因是：P与O原子的电负性相差较大，并具有较高的激光抗损伤阈值和良好的机械加工性能，典型的代表为：β-BaB2O4(BBO)，LiB3O5(LBO)和KBe2BO3F2(KBBF)晶体。KBBFBBOLBO电子从一个轨道跃迁到另一个轨道必须克服原子核对电子的束缚，电负性越大原子核对电子的束缚越强，电子跃迁越困难，晶体的带隙越大。

6、硼(B)是第二周期第ⅢA族元素，其价电子层结构为2s22p1。B的价层轨道可以采取sp2杂化或sp3杂化，因此，B可以与3个O配位形成平面的BO3三角形或与4个O配位形成BO4四面体。BO3和BO4结构基团还可以通过共顶点连接形成阴离子基团，常见的有B2O5,B3O6,B3O7,B3O8,以及B5O10等。其他的链状、层状、骨架状集团都可以看做这些集团无限重复而成。硼酸盐的基本结构BO3BO4BBO晶体BBO晶体的基本结构基团是B3O6，此类基团由于具有局域范围较大的共轭π轨道，因此具有较大的微观倍频系数和双折射率（Δn>0.1

7、）。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（λcut-off≈190nm），从而限制了该晶体深紫外区的谐波输出。共轭π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π轨道的B3O6基团倾向于

8、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（λcut-off≈160nm）。LBO具有比BBO更宽的透光范围（1