铌酸锂(LiNbO3)晶体是一种重要的多功能光电材料,在电光、声光、光折变和非线性光学等领域被广泛地研究和应用,特别是抗光折变掺杂铌酸锂晶体的光学非线性效应已经成为当今非线性光学材料领域的研究热点。铪离子(Hf4+)是2004年新发现的具有优良抗光折变性能的掺杂离子,使掺铪铌酸锂(Hf:LiNbO3)晶体有望成为一种新型的非线性光学材料。所以,对Hf:LiNbO3晶体的光学非线性效应的研究具有重要的科学意义。本文主要通过飞秒激光Z扫描实验研究Hf:LiNbO3晶体的光学非线性吸收和非线性折射特性。单光束Z扫描技术是一种确定材料的光学非线性折射率系数和非线性吸收系数的简单有效的实验方法。本文首先介绍了单光束Z扫描技术的基本实验装置和实验原理以及理论分析方法,论述了Z扫描方法在理论与技术方面的研究进展。本文采用提拉法在常压和大气气氛下垂直生长Hf:LiNbO3晶体,生长方向为晶体的(001)方向,即c轴方向。生长出的晶体沿c轴极化,垂直c轴切割,制成厚度为0.8mm的两表面抛光的薄片,以满足Z扫描实验中“薄样品近似”的要求。通过测量室温下Hf:LiNbO3晶体的透射光谱,确定了样品的吸收边和禁带宽度。利用飞秒激光Z扫描实验研究了Hf:LiNbO3晶体的三阶光学非线性吸收和非线性折射。由于实验中使用的是波长为800nm的飞秒激光,两个光子的能量小于晶体的禁带宽度,导致样品没有发生双光子吸收。闭孔Z扫描归一化透过率函数为先谷后峰的曲线,说明样品呈现自聚焦效应。采用宽带隙固体的两带模型,从理论上计算了Hf:LiNbO3晶体的三阶光学非线性折射率系数,理论值和实验值相吻合。理论分析表明,样品的三阶光学非线性折射率主要起因于晶体内部电子云分布的瞬态畸变。研究了Hf:LiNbO3晶体的三光子吸收特性,发现样品在入射激光平均功率为3mW左右时具有较强的三光子吸收,显示了Hf:LiNbO3晶体在光限幅和显像技术等方面的潜在的应用前景。