KBBF非线性光学晶体及应用解析
非线性光学晶体KBe2BO3F2(KBBF)的制备和应用讲诉
X.Y. Wang, X. Yan, S.Y. Luo, C.T. Chen, J. Crystal Growth. 318 (2011) 610-612.
温差水热法制备KBBF
原料：KBBF培养基+去离 子水+矿化剂
加热温度：350~500℃
反应压力：100~150MPa 反应时间：5~30天
H.T. Zhou, X.L. He, W.N. Zhou, C.L. Zhang, et al. J. Crystal Growth. 318 ( 2011) 613-617.
两种制备方法比较
局域自发成核法不加入籽晶，温差水热法需 引入籽晶； 局域自发成核法生长周期短，水热法生长周 期较长； 局域自发成核法制备的晶体尺寸小于温差水 热法得到的样品； 局域自发成核法相对温差水热法，需控制的 参数较多，技术难度较大； 局域自发成核法获得的KBBF晶体倍频性能 十分优异，而温差水热法制得的样品相比之倍 频系数相差1~2个量级。
S.C. Wang, N. Ye, J. Am. Chem. Soc. 2011, 61,11458.
局域自发成核法制备KBBF
技术特点：
自助熔：以反应体系中 的原料为助溶剂，既避免 了KBBF相在降温过程中 的分解，又不会对材料的 制备过程引入杂质离子。 底部冷阱技术：坩埚底 部加入冷却系统，使成核 发生在局部的过冷区域， 减少了形成晶核的数量。 循环温度震荡：促进了 单一形核的单晶生长，从 而更大可能得到大尺寸单 晶样品。
H.T. Zhou, X.L. He, W.N. Zhou, C.L. Zhang, et al. J. Crystal Growth. 318 ( 2011) 613BBF crystals grown from 1 mol/L H3BO3+0.2 mol/L KF solutions.
非线性光学晶体的制备及其在光通信中的应用
非线性光学晶体的制备及其在光通信中的应用光通信作为一种高速、大数据传输的方式，一直以来备受重视。
而非线性光学晶体作为一种新型的材料，在光通信领域也逐渐展现出了其重要的应用价值。
本文将重点讲述非线性光学晶体的制备方法以及其在光通信中的应用。
一、非线性光学晶体的制备方法非线性光学晶体是一种通过经历非线性光学效应，能够将输入的光波进行相互作用并产生新波的晶体材料。
这种材料主要通过三种方法来制备。
第一种是气相转移法，这种方法适用于制备高纯度的物质，其中包括多种非线性光学晶体。
由于生长晶体需要良好的晶体品质和均匀的晶体质量，所以采用气相转移方法可以避免一些常见的缺陷，例如水气生成。
制备非线性晶体的关键是高温和高压，使晶体在期望的条件下形成易于使用的小晶粒大小。
第二种则是半熔体法，这种方法需要将制成的晶体塑造成所需的形状。
这种方法适用于生长大块的非线性光学晶体，并且可提供完整的晶体。
此方法使用装有粉碎了的晶体的蒸发炉，使晶体完全熔融，然后冷却到结晶。
这种方式是对气相转移生长法的补充。
最后一种方法是液相生长法，其通过在具有适当温度和压力的溶液中通过溶解和沉淀晶体成分来生长出晶体。
这种方法也可以制备非常大的非线性光学晶体，并且可以制备出纯度更高的晶体，而且对于对真正的化学成份及其沉淀性质的了解也更为深入，可扩展性也更高。
二、非线性光学晶体在光通信中的应用非线性光学晶体在光通信领域中应用广泛，其中包括拉曼激光器、光通信系统等。
在这些应用中，非线性光学晶体可以提供很多优势和功能，这使得它在当前和将来的光通信系统中都具有强大影响力。
在光通信中，拉曼激光器是在现有基础上最先实现高速、大容量数据传输的新技术。
由于非线性光学晶体在拉曼激光器中可以起到稳定激光的作用，它们的应用也变得非常广泛。
例如，在数据通信中，多通道激光器需要被调谐到适合的频率，这个时候就可以使用非线性光学晶体来实现频率调制，这可以在不损害光子的情况下实现对信号的调制。
非线性光学晶体的合成及其应用研究
非线性光学晶体的合成及其应用研究随着科技不断迭代升级，各行各业都在不断探索新的技术和材料，以创造更多高效优质的产品。
其中，非线性光学晶体是一种十分重要的新型材料，它具有高二次谐波发生效率、低损耗、高光学红外透明度等特点，被广泛应用于激光系统、光通信、生物医学等领域。
本文将从合成方法、材料性质、应用等多个方面探讨非线性光学晶体的研究进展。
一、非线性光学晶体的合成在研究非线性光学晶体前，需要先了解非线性光学效应。
非线性光学效应分为三种类型，即二次谐波发生效应、三次谐波发生效应和光学调制效应。
其中，二次谐波发生效应是最常见的一种，也是使用最广泛的一种非线性光学效应。
非线性光学晶体的合成方法主要有两种，一种是传统的水热法合成，另一种是溶胶-凝胶法合成。
在传统的水热法中，将原料按照化学反应的需求混合后，加入适量的水，然后在高温高压下反应，最终得到晶体。
这种方法合成出的晶体质量稳定，但缺点是反应条件苛刻，需要高温高压环境下反应，不够环保。
另一种方法是溶胶-凝胶法合成，即在溶胶中加入适量的金属盐后，经过凝固和热处理等步骤最终得到晶体。
这种方法能够获得高纯度、且微观结构均匀的晶体，但需要较长的处理时间。
二、非线性光学晶体的材料性质非线性光学晶体具有多个材料特性，如：1.高二次谐波发生效率。
非线性光学晶体具有高的二次谐波产生效率，能够将激光转换为紫外光等更高频率的光子。
2.低自吸收和低损耗。
非线性光学晶体的基质材料晶体结构紧密，光学透明度高，自吸收和损耗率低。
3.高光学透明度。
非线性光学晶体对光学红外区域透明度高，这使得它们特别适用于光学通信、红外微波探测等领域。
4.宽带隙。
非线性光学晶体具有宽带隙，这使得它们具有很好的激光泵浦特性，提高了二次谐波产生效率。
此外，非线性光学晶体的衰减系数也非常小，这让其能够在高能量输入情况下仍能稳定运作。
三、非线性光学晶体的应用1. 激光技术非线性光学晶体在激光系统中有着广泛的应用，可以用于波长扩展、锁模、倍频、和频和差频等方面，从而实现谐振腔的微调和大量光谱的覆盖。
非线性光学晶体的性能与应用
非线性光学晶体的性能与应用引言：非线性光学晶体是一类具有特殊光学性质的材料，其在光学领域有着广泛的应用。
本文将介绍非线性光学晶体的性能特点以及其在通信、激光技术和生物医学等领域的应用。
一、非线性光学晶体的性能特点1. 非线性效应非线性光学晶体具有非线性效应，即当光强度较高时，晶体的光学性质会发生明显的非线性变化。
这种非线性效应使得晶体在光学调制、频率转换和波长选择等方面具有独特的优势。
2. 高非线性系数非线性光学晶体的非线性系数通常较高，能够将输入光信号进行高效的转换和调制。
这种高非线性系数使得晶体在光学信号处理和光学器件设计中具有重要的应用价值。
3. 宽光学透明窗口非线性光学晶体通常具有宽的光学透明窗口，能够在可见光和红外光等多个波段范围内有效传输光信号。
这种宽光学透明窗口使得晶体在光通信和光传感等领域具有广泛的应用前景。
二、非线性光学晶体的应用1. 光通信非线性光学晶体在光通信领域中有着重要的应用。
通过利用晶体的非线性效应，可以实现光信号的调制、调制解调和光信号转换等功能。
此外，晶体的宽光学透明窗口使得其可以传输多个波长的光信号，从而提高了光通信系统的传输容量和性能。
2. 激光技术非线性光学晶体在激光技术中也有着广泛的应用。
通过利用晶体的非线性效应，可以实现激光的频率转换、倍频和混频等功能。
这种功能可以用于激光器的频率调谐、激光脉冲压缩和激光波长选择等方面，为激光技术的发展提供了重要的支持。
3. 生物医学非线性光学晶体在生物医学领域中也有着广泛的应用。
通过利用晶体的非线性效应，可以实现生物组织的非线性显微成像和光学操控等功能。
这种功能可以用于细胞和组织的高分辨率成像、药物递送和光学治疗等方面，为生物医学研究和临床应用提供了新的手段。
结论：非线性光学晶体具有独特的性能特点和广泛的应用前景。
通过充分利用晶体的非线性效应，可以实现光信号的高效处理和调制，为光通信、激光技术和生物医学等领域的发展提供了重要的支持。
新型深紫外非线性光学晶体KBBF族的研究进展
第29卷 第10期2010年10月中国材料进展MATER I A LS CH I NAVol 29 No 10O ct 2010特约专栏收稿日期:2010-07-21基金项目:国家自然科学基金重大项目资助(50590400)通信作者:陈创天,男,1937年生,研究员,博士生导师新型深紫外非线性光学晶体KBe 2BO 3F 2族的研究进展刘丽娟,陈创天(中国科学院理化技术研究所功能晶体与激光技术重点实验室,北京100190)摘 要:深紫外非线性光学晶体KB e 2BO 3F 2(KBBF)发展至今,已有将近20年的历史。
首先简单回顾了KBBF 化合物的发现、晶体生长以及基本光学性质,同时对KBBF 族(M B e 2BO 3F 2,M =K,Rb ,C s )的其它化合物如:RbBe 2BO 3F 2和C s B e 2BO 3F 2的晶体生长和其基本光学性质进行了报道,然后对这些新晶体产生深紫外谐波光输出的能力做了评估,最后介绍了利用KBBF 晶体器件产生的深紫外相干光源在先进仪器等方面的应用。
关键词:非线性光学晶体;晶体生长;深紫外激光中图分类号:O 734;TN 23 文献标识码:A文章编号:1674-3962(2010)10-0016-05Recent Advances in N e w Deep UV NonlinearOptical CrystalKBe 2BO 3F 2Fa m ilyLI U L ijuan ,CHEN Chuangtian(K ey L aborato ry o f F unctiona l C rysta ls and L aser ,T e chnica l Insti tute o f Phy sics and Chem i stry ,Ch i nese A cade m y o f S ciences ,Be iji ng 100190,Ch i na)Abstrac:t D eep UV non linea r optica l crysta lK Be 2BO 3F 2(KBBF )has been deve loped for near l y t w enty y ears .In thispape r ,firstly ,the history of the d iscovery of the nonli near optical c rysta l K Be 2BO 3F 2w it h a de scr i pti on o f its grow thand basic opti ca l properti e s w as briefl y rev ie w ed .Secondly ,for the K BBF fa m ily ,i nc l ud i ng R BBF and CBBF,their crys tal g row th and basic optical properti es w ere also i ntroduced .T hen their ab iliti es to produce deep UV laser for these cry sta ls w ere eva l uated .F i na lly som e app licati ons usi ng t he nove l deep U V l aser produced by K BBF crysta l dev ice w ere i ntro duced .Key w ords :non linea r optical c rysta;l c rysta l g row th ;deepUV l aser 1 前 言随着193n m 光刻技术和微﹑纳米精密激光加工及光电子能谱仪的发展,对200n m 以下相干光源的需求越来越迫切。
非线性光学晶体
• (四)良好的化学稳定性, 不易风化, 不易潮解, 在较宽的温 度范围内无相变, 不分解, 以保证能在没有特殊保护的条件 下长期使用. 良好的力学性能使晶体易于切割抛磨, 镀覆各 种光学膜层,制作各种实用器件, 也是十分重要的.
我国先进技术
• 2016年，有这样一篇文章： • “十七年了！美骄傲公布：这一领域终于打破中国的技术
• KBBF是一种非线性光学晶体，可以将激光的波长转换为 176纳米，应用到国防军工领域，将大大提升激光反导弹 系统、激光国土探测等各种技术水平。甚至世界各国的下 一代战略武器发展计划，都绕不开KBBF技术的支持。
• 而这项技术，是由中科院的陈创天院士研发出来的，从 1980年代就开始积累相关技术，独步全球。
目录
01
非物线联网性基光本学概念
02
相位匹配
03 非线性光学现象
04 非线性光学晶体材料
05
我国先进技术
非线性光学 • 所谓线性光学，其最大的特点就是不改变光的频率、不与
介质发生能量交换。那根据此就可以推断出，会发生能量 交换、会改变频率的就是非线性光学。
相位匹配
• 相位匹配的物理本质（以倍频为例，就是光的频率翻倍）是 让基频光在晶体中传播，然后沿途激发出倍频光，由于相速 度相同，所以相位是一致的，这样沿途激发的倍频光可满足 干涉条件，从而极大地增强倍频光的光强。
• 3. 光折变晶体
• 钛酸钡; 铌酸钾; 铌酸锂等
• 特点: 仍需要寻找具有光折变灵敏度高, 响应速度快, 衍射 效率高等特点的新型光折变晶体材料.
• 二、非线性光学晶体应具备的性能
• (一)大的非线性光学系数
• (二)适当的双折射率, 能够在应用的波段区域内实现相位 匹配, 而且相位匹配的角度宽容度和温度宽容度要大, 如果 能够实现非临界相位匹配或通过温度调谐等方法实现非临 界相位匹配则更好.
深紫外非线性晶体KBe_2BO_3F_2的光学倍频特性
Ｋ ｅ ｒ ： ＢＢＦ ｒ ｓ ａ ； ｙ ｗｏ ｄｓ Ｋ ｃ ｙ ｔ ｌ ＳＨ Ｇ ｏ ｒ ｉｓ； ｐｒ ｐｅ ｔｅ ＤＵ Ｖ ａ ｅ ｌｓ ｒ
深 紫外 相干光 源在 许 多高技 术领 域有 着 十分 重
陈 创 天 项 目组 已 研 制 出 ２ Ｏ ｍｍ × １ ０ｍｍ × ３ ７１ｍ ． ｉ Ｔ 全透 明 的 Ｋ Ｂ Ｂ Ｆ单 晶 ； 用 棱 镜 耦 合 技 术 ， 国 际 利 在 上 首 次 实 现 了 Ｎｄ ： ＹＶＯ 激 光 的 谐 波 光 １ ７ ３ ｍ ７． ｎ
谱、 光谱 技术 、 激光 精 密 机 械 加 工 、 光 医疗 以及 化 激
学 动 力 学 等 ¨３， 发 ＤＵＶ 激 光 源 成 为 激 光 技 术 的 ＿ 开 ＿
重 要发展 方 向 。准分 子 激 光 器 虽 平均 功 率 高 ， 光 但
束 质 量 差 、 段 范 围 窄 、 谐 困 难 、 能 研 究 超 快 过 波 调 不 程 ， 多 含 有 有 毒 气 体 ； 由 电 子 激 光 器 虽 调 谐 波 段 且 自 宽 、 出 功 率 大 ， 目 前 技 术 尚 不 成 熟 ， 价 高 ］ 输 但 造 。 全 固 态 激 光 具 有 体 积 小 、 命 长 、 率 高 、 束 质 量 寿 效 光
ｂｙ ｍ ｅ ｎｓｏ ａ ｆＳＨ Ｇ ｒ ｍ ｒ ｑｕ ｎ ｙ ｔ ｉ ｅ ｄ： Ｖ Ｏ４ｌ ｓ ｒｉ ｆ ｏ ａ ｆ ｅ ｅ ｃ — ｒｐｌ ｄ Ｎ Ｙ ａ ｅ ｎ ＫＢＢＦ． ｈｅ ｅｒ ｓ ｌｓａ ｅ ｖ ｒ ｅ ｕ Ｔ ｓ ｅ ｕ ｔ ｒ ｅ ｙ ｕｓ ｆ ｌ
深 紫 外非 线性 晶体 ＫＢ ２ Ｏ３ ２ 光 学 倍频 特 性 ｅＢ 的 Ｆ
非线性光学晶体材料研究及应用
非线性光学晶体材料研究及应用光学是研究光的物理性质和现象的学科。
通俗来讲，光学顾名思义，就是研究光的学问。
随着时代的进步，光学领域愈发广泛化和深入化，非线性光学晶体材料也跻身其中。
非线性光学晶体材料是近年来光学研究的热门材料之一。
相比于线性光学，非线性光学作为一种新型光学现象，对于信息传输、能量转换、光子学技术等方面有着更为广泛的应用。
那么，什么是非线性光学晶体材料呢？简单来说，非线性光学晶体材料就是一种当外界光场通过材料时，在不破坏介质结构的前提下，可引发材料内部非线性响应产生其他频率的光场的材料。
这种材料在光学、电子学和信息技术等领域都有着广泛的应用。
目前，非线性光学晶体材料主要分为有机非线性光学晶体材料、半导体非线性光学晶体材料和无机非线性光学晶体材料等。
其中有机非线性光学晶体材料应用最为广泛。
这种材料具有优异的光学和电学性能，可广泛应用于变频、全息记录、多光子显微镜、高效光学限幅等诸多领域。
那么非线性光学晶体材料的应用领域具体有哪些呢？下面列举部分应用领域。
1.检测技术非线性光学晶体材料在检测技术中有着广泛的应用。
这种材料表现出的非线性效应可以用作探测光与物质相互作用过程的灵敏探针。
此外，非线性光学晶体材料还可以用作谐振腔中的调制器和调谐器。
2.生物医学非线性光学显微镜是非线性光学基础研究和应用研究的一个热点领域。
它是一种通过用近红外激光束向生物样本中发出强光信号的显微镜，从而实现像素尺寸远小于现有技术限制的分辨率。
这种分辨率对于生物医学的研究有着重要的意义。
而非线性光学晶体材料在非线性光学显微术中被广泛应用。
3.光子学技术光子学技术是非线性光学晶体材料的另一个热门应用领域。
由于非线性光学晶体材料的高分子链条比较松散，易于吸收和释放辐射，因此可作为光子学技术中的光源、探测器、调制器等。
此外，非线性光学晶体材料还可以应用于非线性光纤通信的增益介质和光谱过滤器等。
总之，在当前的大环境下，非线性光学晶体材料是科技领域中一个十分特别的材料。
非线性光学现象和器件的研究和应用
非线性光学现象和器件的研究和应用随着科学技术的不断发展和进步，人类对于自然界的了解也越来越深入。
特别是在物理学领域，科学家们已经揭示出了许多有趣而复杂的现象。
其中，非线性光学现象是一个特别引人注目的研究领域，已经在很多领域中发挥出了重要的作用。
一、什么是非线性光学现象？非线性光学，顾名思义，就是指光在某些介质中呈现非线性行为的现象。
具体来说，如果我们把一束光照射到某些特定的材料中，如果光的强度很强，就会出现一些不同于普通光学行为的现象。
比如，光在介质中的传播速度会发生变化，其强度也会随着时间或空间的变化而发生改变。
这些现象被称为非线性光学现象。
二、非线性光学现象的分类根据光学现象的特性和原理，我们可以将非线性光学现象分为不同的类别。
其中，最主要的分类手段是按照非线性效应的种类进行分组。
1. 自聚焦、自相位调制和光学响应时间自聚焦是指在介质中出现的非线性聚集光束。
这个现象的实现需要光的强度足够高，在介质中导致光的自聚焦效应。
另外，介质中还能出现自相位调制和光学响应时间现象，前者是指光在介质中并发生相位的调整，后者是指介质的光学响应时间随光的强度发生变化。
2. 和谐波发生和倍频现象和谐波是指原始波的倍频。
当光与介质互作用时，我们可以看到一些不同于原始波的频率倍数的新波。
这个现象被称为和谐波发生。
而倍频是指把原始波的频率翻倍。
这两个现象在非线性光学领域中非常常见。
3. 光学振荡和非线性耦合现象非线性材料中还能够实现在介质中出现光学振荡和非线性耦合现象。
前者是指光在介质中的干涉效果，后者是指不同频率的光波之间互相干扰的非线性效应。
三、非线性光学器件的应用非线性光学现象已经在许多领域中得到应用，这些应用包括通讯、光学计算、光存储以及成像等。
下面我们将分别介绍这些非线性光学器件的应用。
1. 光电源非线性光学现象在光电源中的应用已经变得非常普遍。
光电源是一种能够产生光电子效应的器件。
这些器件通常是基于半导体材料制造的，具有良好的非线性性质。
硼酸盐非线性光学晶体简介
2.3 阴离子基团理论
因此,一个硼酸盐晶体要具有大的宏观倍频系 数,首要条件是它的基本结构单元——孤立硼氧 孤立硼氧 阴离子基团必须具有大的微观倍频系数。 阴离子基团
计算表明，倍频效应： BO3基团 >> BO4基团 χ(B3O6)> χ(B3O7)> χ(BO3)>> χ(BO4)
2.3 阴离子基团理论
总结
（1）阴离子基团理论，一般来说硼酸盐晶体 的宏观倍频系数是晶体中硼氧阴离子基团微观 倍频系数的几何迭加。 （2）硼酸盐晶体的硼酸基团结构决定它们的 非线性光学效应。 （3）多种基团的协同作用为新型无机非线性 光学材料的探索提供新思路。
谢谢
[B3O7]型：
LBO（LiB3O5）晶体
属于正交晶系，空间群：Pna21， 具有五个非零倍频系数： d31=d15=2.51×d36（KDP） d32=d24=2.69×d36（KDP） d33=0.15×d36（KDP） 双折射率：△n=0.053(1064nm) 过小！
LBO（LiB3O5）晶体
1.2 非线性光学晶体用途
(1)激光频率转换，扩展激光的波长； (2)用来调制激光的强度、相位； (3)实现激光信号的全息存储、消除波前畸变 的自泵浦相位共轭等。
第二部分
阴离子基团理论简介
2.1 非线性光学效应简介
当光束入射到透明介质时，在其中将产生 极化矢量：
χ(2)是一个三阶张量，因此只有无对称中心的 单晶体才有可能产生二阶非线性光学效应。
KBBF（KBe2BO3F2）晶体
C方向难以长厚 难以按照相位匹配方向进行切割
怎么解决？
解决办法：KBBF棱镜耦合器件
关键在于：可见光、紫外光区，两种材料折射率 相差不大
硼酸盐非线性光学晶体材料原理介绍
陈创天院士等人根据阴离子集团理论计算了B-O集团的倍频系数大小。结果显示：平面的 BO3基团有较大的微观倍频系数，而四面体的 BO4基团的微观倍频系数相对小得多。硼氧 阴离子基团微观倍频系数大小的排列为：
根据BBO和LBO的研究发现： B3O6因为具有悬挂键而使得晶体的带隙较小，紫外截止边
较大，不是实现深紫外倍频输出。 B3O7 基团通过互相连接消除了悬挂键，提高了带隙 降低了紫外截止边，但其双折射太小使得相位匹配范围太小，不能包括深紫外区域，因 而也不能实现深紫外倍频输出。 上世纪90年代初，陈创天课题组开始将BO3基团作为探索下一代紫外非线性光学晶体的 基本结构单元。当BO3基团三个终端氧原子(dangling bond)与其它原子相连后，消除了 终端氧的悬挂键时，能量带隙可增大到 8.27 eV，吸收边将紫移至150nm左右；同时， 虽然单个 BO3基团的微观倍频系数小于 B3O6 基团和 B3O7基团，但 BO3基团所占的空间 体积小，因此只要晶格中单位体积内BO3基团的数量比B3O6基团和B3O7基团的数量多， 该类化合物仍可产生较大的宏观倍频系数。在这一思想的指导下，陈创天课题组发现了
3. 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<200 nm）以及中红外区（λ<15~10 μm）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。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 ~ 20 μm。 相位匹配区间：能够实现Ⅰ类相位匹配的波长范围。
近些年来，为改善KBBF晶体的各种缺点，中国科学家又进行了一系列的研究。 改善KBBF晶体层状结晶习性 RbBe2BO3F2 ( 简称 RBBF) ，利用原子半径更大的 Rb 代替 KBe2BO3F2 中的 K ，从而使得 RbBe2BO3F2晶体的层间距减小，改善了KBBF晶体的层状生长问题。 NH4Be2BO3F2（简称ABBF）晶体具有相似的原理，因为NH(4+)与F之间的氢键比K-F离子 键强很多，因而NH(4+)离子团较K+离子对层与层之间有更强的结合力, ABBF较KBBF很 可能会拥有更好的层状生长性能。
无机紫外非线性光学晶体材料的研究进展
无机紫外非线性光学晶体材料的研究进展摘要：紫外（ＵＶ）（λ＜４００ｎｍ）非线性光学（ＮＬＯ）晶体材料，是全固态紫外激光器的核心部件，在许多新兴科学技术应用中具有独一无二的作用，广泛应用于光刻、光电谱图、激光光谱、生物物理以及激光药学等领域，被誉为光电行业的“芯片”．因此，亟需发展新的高性能ＵＶＮＬＯ材料来突破目前的性能壁垒．本文对无机紫外非线性光学晶体材料的研究进展进行分析，以供参考。
关键词：紫外非线性光学材料；功能基团；硼酸盐引言非线性光学材料,特别是无机紫外(λ<200纳米)领域,一直是材料科学的热点。
研究新材料的理论计算方法可以减少传统材料合成的不确定性,缩短实验周期,降低实验成本。
随着计算机、工作站和服务器性能的提高,基于计算机数值模拟的材料设计研究正在成为加速新材料开发过程的更有效方法。
基于先前对一系列非线性光学晶体结构特性的研究,人工养蜂算法首次预测了四种双折射率约为0.085的NaBeBO3结构。
其性能的初步评价原理表明,P63/m的切削侧比商用α-BaB2O4晶体低20nm;P-6相频率的增加与KH2PO4相当,而其结构显示出优异的生长特性;NaBeBO3可以用作无机紫外光学材料的替代品,具有潜在的应用。
1无机紫外NLO晶体的发展历程同位素具有丰富的化学结构,B原子可作为BO3和BO4两种编码方式使用,并进一步聚合成一维链、二维层和三维网,使同位素具有丰富的晶体结构。
因此,同位素是设计合成新型无机紫外线晶体材料NLO的首选系统。
基于阴离子群理论,BO3平面元件具有不对称的电子云分布,具有较大的微极化系数。
BO3平面元件的平行布置有利于获得较大的频率延伸效果和双折射率,这两个参数直接决定了材料激光转换效率和波长范围对应用频率的直接延伸。
在此基础上,陈尚田提出以BO3为主要结构单元,通过引入BeO3F四极元素来消除“悬挂式钥匙”,探索NLO无机紫外线晶体的新途径。
随后发现了RbBe2BO3F2(RBBF)和CsBe2BO3F2(CBBF)晶体。
非线性光学晶体在激光器中的应用前景
非线性光学晶体在激光器中的应用前景引言激光器作为一种重要的光学器件，已经广泛应用于科学研究、医疗诊断、通信、材料加工等众多领域。
随着科学技术的不断发展，人们对激光器的性能要求也越来越高，特别是光学器件的非线性效应对激光器的性能提升起着关键作用。
本文将讨论非线性光学晶体在激光器中的应用前景。
1.非线性光学晶体的基本原理非线性光学晶体是一类具有非线性光学效应的晶体材料，其内部存在着非线性极化现象，即当晶体内的光场强度较高时，晶体极化强度与光场强度的关系不再是线性关系，而是呈现出非线性关系。
常见的非线性光学效应包括二次谐波产生、三次谐波产生、光参量振荡等。
2.非线性光学晶体在激光器中的应用2.1 高效率频率倍增非线性光学晶体可以将激光器发出的基频光转化为二次谐波光，从而实现频率倍增。
这种应用方式可以实现激光器输出频率的可控调节，使得激光器在不同领域的应用更加灵活多样。
同时，通过选择合适的非线性光学晶体材料，可以实现高效率的频率倍增，提高激光器的输出功率。
2.2 光学参量振荡非线性光学晶体还可以实现光学参量振荡，即在晶体中产生两个不同频率的激光光束。
这种应用方式可以实现光谱范围的扩展，使激光器能够在更广泛的频率范围内工作。
同时，光学参量振荡还可以用于激光器的频率锁定和频率稳定，提高激光器的输出稳定性。
2.3 光学调制非线性光学晶体可用于光学调制，即利用非线性效应调制激光的幅度、相位或频率。
这种应用方式可以实现激光信号的调制和调制的速度控制，从而扩展激光器的应用范围。
此外，利用非线性光学晶体的光学调制效应，还可以实现激光器在光通信、光存储等领域中的应用，提供高速、高容量的数据传输和存储。
3.非线性光学晶体的发展趋势3.1 新的非线性光学晶体材料的开发当前已有许多常见的非线性光学晶体材料，例如，锂飞石、BBO、KTP等。
然而，这些晶体材料在某些特定波段和功率密度下会出现一些限制，如热效应和损伤阈值。
因此，未来的发展趋势之一是开发新的非线性光学晶体材料，以克服这些限制，提高非线性效应的利用效率。
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七、KBBF晶体的工作性能
• 一般来说，倍频效率不仅与基波电场初始 强度有关，而且与晶体长度有关，倍频效 率随晶体长度的增大而增加并逐渐达到同 一饱和限度；同一晶体长度，基波功率越 高，倍频效率越高；基波功率愈大，高斯 光束达到饱和效率所需晶体长度愈短；不 同的基波功率均随着晶体长度的增加而或 早或晚地达到同一饱和效率。 • 晶体长度并不是越长越好，还应该考虑损 耗
七、KBBF晶体的工作性能
• 2）匹配相位角 • KBBF晶体 I类倍频基波 的下限波长为 323 nm， 直接倍频产生的谐波波 长为161.5 nm，相位匹 配角为87.330 25°， 是目前直接倍频匹配波 长最短的晶体，晶体可 在200 nm以下的深紫外 波段实现相位匹配
七、KBBF晶体的工作性能
六、KBBF晶体的制备
• 目前报道的使用水热法制备的最佳结果是 福建物质结构所唐鼎元等人以KBF4，BeO和 B2O3为原料，在750℃ 恒温 48 h（固相反 应），其产物经固态烧结（800℃）后得到 籽晶。并使用籽晶在KF及H3BO3水溶液中经 二区加热（生长区300-400℃，溶解区350420℃）生长20-100d得到较大晶体。通过 这种方法得到了厚度超过10mm的晶体。
八、KBBF棱镜耦合装置
• 通过使用KBBF棱镜耦 合装置解决了KBBF加 工困难和Z方向厚度小 的问题，同时通过装 置的整体转动可以适 应各种匹配角，或者 通过调整石英的切割 角度来调整基光入射 角。
九、应用与展望
• 现使用KBBF晶体已经可获得瓦级200 nm 和 41 mW 177. 3 nm 的相干光,并获得了从 232. 5-170 nm 的 Ti 宝石激光的可调谐 四倍频谐波光输出。这已可应用于大部分 实际所需,如超高能量分辨率光电子能谱仪、 深紫外激光光电子显微镜、 193 nm 光刻 技术等。此外, 随着晶体生长技术的改进, 在得到更大更厚的晶体之后,KBBF 族晶体 将可获得深紫外光谱区的更高功率输出和 更广泛的应用。
一、KBBF晶体基本介绍
• 透光波段： 153~3664nm • 晶体实物图：
一、KBBF晶体基本介绍
• • • • 作用：非线性光学倍频晶体 用途：产生深紫外激光相干光源 发现人：陈创天 备注：世界上第一次实现177.3nm深紫外激 光倍频有效功率输出，是唯一的在200nm 到150nm 这个深紫外光谱区产生有效输出 的非线性光学倍频晶体
四、激光非线性倍频晶体介绍
• 磷酸二氢钾（KDP）：易生长大尺寸晶体， 损伤阈值高，容许入射角大 • β -偏硼酸钡（BBO）：转换效率高，容许 温度范围宽，损伤阈值值高 • 三硼酸锂（LBO）：容许入射角大，匹配频 率窄，损伤阈值值高 • 但无论以上三种非线性倍频晶体有什么特 点，在200nm-150nm范围内目前只有KBBF晶 体能够做到
• 晶体生长中所遇到的问题 • 1）KBBF是一个非一致熔融 化合物, 在熔点时分解, 所以不能用熔体法生长晶 体 • 2）由于 KBBF是一种面间 距非常大的层状结构化合 物, 晶体难于长厚, 并且 容易出现叠层生长。
KBBF晶体单胞
六、KBBF晶体的制备
• 具体生长方法 • 1）熔盐法 熔盐合成法通常采用一种或数种低熔点的 盐类作为反应介质，反应物在熔盐中有一 定的溶解度，使得反应在原子级进行。反 应结束后，采用合适的溶剂将盐类溶解， 经过滤洗涤后即可得到合成产物。其中低 熔点的盐类被称为助溶剂
七、KBBF晶体的工作性能
• 1）双折射率
• 双折射是保证相位匹配条 件的关键因素。若双折射 太小，会导致倍频效率太 低；双折射太大，不能实 现温度匹配，且相位匹配 较差。 • 适中的双折射率应该是∆n 在 0.06 ≤∆n ≤0.1 之 间。KBBF晶体双折射率系 数在0.075-0.1之间，比 较适中。
八、KBBF棱镜耦合装置
• 由于KBBF晶体层间距较大，在加工时他极 容易沿Z方向发生解理。所以相匹配角的 要求进行切割、 加工极困难。此外， KBBF晶体在Z轴方向难以形成较厚的晶体。 为了解决这两个问题北京理化所陈创天的 课题组发明了KBBF棱镜耦合装置。
八、KBBF棱镜耦合装置
• 在两个紫外级石英棱镜之间按一定方向放置一块 KBBF 晶体,在石英和KBBF晶体之间,填充相应的折 射率匹配液即是KBBF棱镜耦合装置。
五、阴离子基团理论
• 根据计算，对于有氧酸盐来说，氧原子的 悬挂键减少有助于提高能隙（即倍频截止 边）。 • 在晶体排列方式及阴粒子密度方面，阴离 子的紧密堆积有助于提高非线性效应
五、阴离子基团理论
• 对于含有偏硼酸根阴离子基团( BO3 ) 的晶 体有以下三个判据来判断其非线性效应 • 1)晶格中( BO3 ) 基团的三个终端氧与其他 原子相连以消除终端氧的悬挂键； • 2) ( BO3 ) 基团在晶格中保持平面同向排 列以产生大的双折射和宏观倍频系数； • 3) 单位体积内( BO3 )基团的数目尽可能多
十、参考资料
• 陈创天，姚文娇 KBBF 族非线性光学晶体的发现及 其深紫外谐波输出能力 光学学报 • 宋春荣，赵建君等 非线性晶体KBe2BO3F2 的深紫外 输出特性 兵器材料科学与工程 • 陈创天，许祖彦 KBBF晶体的棱镜耦合技术和深紫 外谐波输出 人工晶体学报 • 唐鼎元，叶宁等 水热法生长 KBBF单晶 人工晶体 学报 • 张少军 几种新型非线性光学晶体的性能和应用 激 光与红外
• 3）有效性非线性系 数 • 在 KBBF 晶体 I 类 倍频产生的深紫外波 段 161.5-200 nm 有 效非线性系数为 0.02282-0.29852 pm/v
七、KBBF晶体的工作性能
• 4）倍频转换效率及功率 • 利用 Ti Sapphire激光，获得了 200 nm 的深紫W倍频转换效率达到 13%。并得到了 平均功率为 11.6 mW 的 193.5 nm深紫外 光 。 • 利用 Nd YVO4 激光的谐波光实现177.3nm输 出 ，平均功率达 41 mW。 • 当然，倍频效率与基波强度及晶体长度有 比较复杂的关系，在这方面，转换效率不 再单一是晶体的性能。
五、阴离子基团理论
• • • • 在这三个判据下KBBF晶体具有三个特点 1）氧悬挂键少 2）( BO3 ) 基团排列紧密，密度较高 3）由于( BO3 ) 基团排列紧密，其同向性 好 • 由此在理论上可知KBBF是一种很好的非线 性光学倍频晶体，而在实验上它也表现了 优异的性能。
六、KBBF晶体的制备
五、阴离子基团理论
• 在寻找合适的非线性光学倍频晶体过程中 有一基本理论可解释倍频效果与晶体结构 得关系，即阴离子基团理论 • 阴离子基团理论大意：非线性光学效应是 一种局域化的效应，是组成晶体的基本单 元阴离子基团的微观系数的几何迭加，阴 离子基团的微观倍频系数可以通过阴离子 基团的局域化量子化学轨道理论，通过二 级微扰理论算出来。
KBBF非线性光学晶体及应用
报告人
一、KBBF晶体基本介绍
• 汉语名称：氟代硼酸铍钾 • 化学式： KBe2BO3F2 • 单晶结构：
一、KBBF晶体基本介绍
• • • • • 晶格常数： a= b=0.4427nm ，c=1.8744nm 光性：负单轴晶 破坏阈值 ：75 GW/cm2 折射率色散方程：
十、参考资料
• 侯印春 潘守夔 非线性光学晶体及其应用 人工晶 体学报 • 陈创天，林哲帅等 紫外、深紫外非线性光学晶体 的最新研究进展 功能材料 • 陈崇斌 “中国牌”晶体的探索历程-陈创天院士 访谈录 中国科技 • 国家自然科学基金委员会 /nsfc/cen/ndbg/2009n dbg/02/06.html
二、深紫外激光相干光源的作用
• • • • • 新一代的集成电路光刻技术 光电子能谱光谱技术 激光精密机械加工 激光医疗 化学动力学
三、深紫外激光相干光源的形成
• 准分子激光：平均功率高，光束质量差， 波段范围窄 ，调谐困难 • 自由电子激光器：调谐波段宽，输出功率 大，技术不成熟，造价高 • 固态激光：体积小，寿命长，效率高，光 束质量好，调谐波段宽，谱线窄。 • 前两者可直接产生深紫外激光，但实用性
六、KBBF晶体的制备
• 目前报道的使用熔盐法制备最佳效果是中 国科学院理化技术研究所陈创天等人使用 KF-B2O3-BeF2-BeO自助熔剂体系发展了“局 域自发成核”KBBF晶体生长技术，获得厚 度达3.7mm的透明单晶。 • 2）水热法 • 水热法的一般做法是将合适比例的反应物 溶剂投入反应釜或坩埚中，再对体系进行 升温-保温-降温过程，在保温阶段完成反 应成核生长