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紫外激光通常是指波长为150nm到400nm的激光,它在光刻、微加工、光电子能谱仪、医学等领域有着广泛的应用。但准分子紫外激光器和气体激光器提供的波长有限,且本身尚有缺陷,限制了其应用。而通过非线性光学晶体变频是获得紫外激光光源的有效手段之一。典型的紫外激光波长有355nm、266nm、213nm、193nm和177.3nm。
目前,能实现266nm、213nm激光输出硼酸盐晶体主要有β-BaB2O4(BBO)、K2Al2B2O7(KABO)、Li284O7(LB4)、KBe2BO3F2(KBBF)和CsLiB6O10(CLBO)。BBO晶体的非线性效应大,但是存在走离角大、接收角小等缺点；KABO和LB4晶体的非线性效应较小,且KABO存在吸收；KBBF晶体的难以长出大尺寸的晶体。CLBO具有较大的非线性光学效应,而且具有合适的双折射率、小的走离角、大的接收角等优点,使其在产生266nm、213nm激光上占据着主导地位。但CLBO晶体在生长过程中也存在各种缺陷,如晶体中存在云层,丝状物和散射颗粒等,而且该晶体容易潮解。这些缺点也限制了该晶体的应用。最近有报道表明YAl3(BO3)4(YAB)晶体可以产生266nm激光,但没有介绍其生长及激光输出情况。
本文围绕两种紫外非线性光学晶体CLBO和YAB,主要工作如下:
1、寻找新的助熔剂生长CLBO晶体,减少晶体的缺陷。首次选择NaF作为CLBO晶体生长的助熔剂。测定了NaF-CLBO体系的饱和温度曲线及粘度,表明NaF可以有效降低生长体系的粘度。通过调整生长参数,获得了高品质的CLBO晶体。NaF助熔剂可以提高生长出的CLBO晶体的光学质量。溶蚀实验的结果表明NaF助熔剂可以改善CLBO晶体的抗水侵蚀效果。切割出5×6×15mm3的器件(θ=68.4°,ψ=45°,Brewster角为56°),实现了213nm激光100mW稳定连续输出。
2、通过掺杂改进CLBO晶体的性能。用自助熔剂在不同Al掺杂浓度下生长CLBO晶体,ICP-AES分析结果表明Al离子的分凝系数随掺杂浓度的增加而降低。与之不同的是,NaF助熔剂生长Al掺杂CLBO晶体的结果表明Al离子的分凝系数基本为0.05。探讨了Al掺杂对不同助熔剂下CLBO晶体生长的影响。溶蚀实验的结果表明Al掺杂可以提高CLBO晶体的抗水侵蚀能力。而Al掺杂对CLBO晶体的光学质量基本没有影响。尝试了其他离子如Nd、Cr和Bi等掺杂的CLBO晶体生长,结果表明,这些离子进入CLBO晶体的比例很低甚至没有。
3、采用Li2O-B2O3助熔剂生长YAB晶体,并实现紫外激光输出。采用Li2O-B2O3作为助熔剂,探索了YAB晶体的生长区间,并生长出YAB晶体。晶体呈六棱柱状,沿c向伸长,大部分透明对生长出的YAB晶体进行表征。透过光谱表明Li2O-B2O3助熔剂生长出YAB晶体的截止边为170nm,但在220-300nm范围内存在吸收。采用最小偏向角法测量了YAB晶体的折射率,并拟合了色散方程:
粉末倍频实验表明,YAB晶体的粉末倍频效应为KDP的6.6倍。采用Ⅰ类相位匹配,在15.4mW、532nm(20ps、10Hz)输入条件下,通过倍频获得了2.4mW的266nm激光输出,转换效率为15.6％。