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目前我国的深紫外全固态激光技术在国际上处于领先地位,从材料源头到激光系统集成拥有整体优势。通过多级变频实现深紫外激光(波长短于200nm)输出的全固态激光器,是激光技术的重要发展方向之一。而推动深紫外全固态激光器发展的关键是发展性能优异的深紫外非线性光学变频晶体。KBe2BO3F2(KBBF)晶体是一种性能优良的深紫外非线性光学晶体,可通过直接倍频方式获得深紫外相干光,并已应用于先进仪器。但是,由于KBBF具有强烈的层状习性,其晶体生长较为困难。因此,探索新助熔剂体系,寻找更合适的生长相区,将有利于改善KBBF晶体生长。另一方面,继续探索性能优异的新型深紫外非线性光学晶体,仍然是非线性光学材料领域的关键性科学问题之一。目前针对硼铍酸盐化合物的探索主要是碱金属或者碱土金属硼铍酸盐化合物,还未见对稀土硼铍酸盐化合物的报道。
本论文包括两方面的内容:1.系统研究了KBBF助熔剂体系及其晶体生长;2.合成新型稀土硼铍酸盐化合物并对其光学性能进行研究,具体内容如下:
1.KBe2BO3F2的助熔剂探索与晶体生长
围绕KBBF的助熔剂探索和晶体生长进行了系统的研究,进一步深入研究了KF-B2O3助熔剂体系,确定合适的生长配比范围,在该范围内具有较大的析晶量(15%),为生长较大尺寸的KBBF晶体提供了一定依据。探索了多个新的助熔剂体系,发现了两个有价值的助熔剂体系KF-K2O-B2O3和NaF-K2O-B2O3,并在这两个体系下进行了单晶生长实验。通过优化实验条件,在NaF-K2O-B2O3助熔剂体系中生长出厚度为3.6mm的KBBF单晶。
2.新型非线性光学晶体LaBeB3O7的结构及光学性质
合成了一种新型化合物硼铍酸镧LaBeB3O7,其结构与SrB4O7相似。在此结构中,B和Be原子共同占位,并与O原子形成XO4(X=B,Be)四面体。XO4四面体沿c轴方向呈链状排列,在ab面形成BeB5O18六元环,La3+离子填隙在六元环内。LaBeB3O7是同成分熔融化合物,其紫外截止边约为220nm。粉末倍频强度约为KDP晶体的1~2倍,可实现相位匹配。一般认为仅由四配位阴离子基团如BO4、BeO4、PO4、SiO4等组成的结构由于双折射率太小,无法实现相位匹配。针对LaBeB3O7可实现相位匹配的现象,我们首次提出“几何无序占据”机理,合理地解释了LaBeB3O7可实现相位匹配的原因。
3.新型深紫外非线性光学晶体ReBe2B5O11(Re=Y,Gd,La)的结构及光学性质
在Re2O3-BeO-B2O3(Re=Y,Gd,La)体系中合成了稀土硼铍酸盐新化合物α-ReBe2B5O11(具有对称中心)与β-ReBe2B5O11(非对称中心)。它们的结构特点是由2∞[Be2BO5]3-层和1∞[B4O8]4-链构成2∞[Be2B5O11]3-超级层,层间通过Re-O键相连,并首次发现直链1(∞)[B4O8]4-。β-ReBe2B5O11(Re=Y,Gd)紫外截止边小于200nm,粉末倍频强度与KDP晶体相当,可实现相位匹配。β-ReBe2B5O11(Re=Y,Gd)系列晶体是具有应用价值的深紫外非线性光学晶体。