KBBF非线性光学晶体及应用

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
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
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。
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 较差，后者可通过倍频产生深紫外激光且 激光器工作性能好
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。
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
• 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。
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
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
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
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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
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。
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
• 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。
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 中国科技史杂志 • 朱京平 光电子技术基础 • 百度百科 http://baike.baidu.com/view/2226658.htm • 国家自然科学基金委员会 http://www.nsfc.gov.cn/nsfc/cen/ndbg/2009n dbg/02/06.html