粉末紫外二階非線性光學性能測試研究

李丙軒,許 珊，廖文斌,張 戈,陳瑋冬，林長浪，黃凌雄

(1.中國科學院福建物質結構研究所，福州 350102；2.中國福建光電信息科學與技術創新實驗室(閩都創新實驗室)，福州 350108；3.長江大學，荊州 434023)

0 引 言

1961年Franken和他的合作者[1]發現石英晶體的倍頻效應以來，二階非線性光學取得了飛速的發展。二階非線性光學晶體在醫療[2]，遙感[3]，軍事[4]等領域方面發揮著重要作用。紫外,特別是深紫外相干光源,在紫外光譜學研究、半導體光刻技術、納米機械微加工以及生物基因工程等領域扮演著重要角色，紫外非線性光學晶體是實現該波段的關鍵材料，探索紫外非線性光學晶體必須滿足幾個必要條件，如短紫外截止邊，大的非線性光學系數，可實現相位匹配等。

探索新的二階非線性光學晶體材料，必須判定晶體是否有二階非線性光學性能、是否可以相位匹配以及二階非線性光學系數大小等。二階非線性光學系數表征了晶體的二階非線性光學能力，國內外對于測量單晶的二階非線性光學系數的方法主要有兩種，一種方法是相位匹配二次諧波法[5](Second Harmonic Generation,簡稱SHG)，另一種是Maker條紋法[6]。新晶體探索階段，多以小尺寸晶粒存在，國內外多以粉末晶體的倍頻效應作為測試方法。1968年，Kurtz等[7]證明通過測試粉末晶體的倍頻效應可以表征其二階非線性光學能力；國內方面多家單位也開展了粉末倍頻測試的研究[8-12]，1987年12月山東大學晶體材料所蔣民華等[13]采用聲光調制的1 W YAG激光器測試粉末倍頻信號；2009年劉桂香等[14]提出采用光纖探測器探測粉末樣品的倍頻光和基頻光，提高了測量精度。2014年作者所在團隊[15]提出采用1 064 nm與1 950 nm的雙波長激光器，將測試拓展到紅外波段。

然而，隨著紫外波段二階非線性光學材料研究的進展[16-18]，上述測試方法存在著很多局限性，如紫外波段的吸收問題，測試的準確度問題，而且相應紫外波段的二階非線性光學測試系統僅福建物構所[19]、新疆理化所[20]等單位報道過自行搭建的測試系統，但不一定能完全區分倍頻光與其他效應產生的光，更談不上有商業化的產品供應，因此亟需開發新型的紫外波段的二階非線性光學測試儀器[21-22]。

為解決紫外波段的非線性光學性能測試，本文提出了一種新的測試手段，采用532 nm的高功率納秒激光作為光源，采用紫外融石英JGS1作為整個測試的窗口片，避免了吸收導致的測量誤差。為更準確地探測倍頻信號，將倍頻光及其他光效應產生的光通過光柵光譜儀分光并用CCD陣列探測器進行探測。陣列CCD可以實現在一次曝光中，獲得不同波長的信號值，因此，可以用來準確判斷所測量光信號的波長、譜寬、強度等參數。若是倍頻光信號，則倍頻光的波長正好是激發激光波長的一半且半峰寬很窄，若非倍頻光信號，則一般其光信號的波長與激發激光無內在聯系且半峰寬很寬。根據這兩種光信號的顯著差異，可容易獲得準確的測量值。把激光激發產生的光信號全部經過譜儀分光后，選定激發光波長的一半位置作為CCD陣列探測器的探測中心，就可獲得(0.5λ)(λ可根據光譜分辨率的高低而設定，λ值越小則分辨率越高)的譜帶。根據該譜帶的特征就可很容易地識別出光信號是屬于哪種性質的光(倍頻光或非倍頻光或倍頻光和非倍頻光的混合光)，從而實現二階非線性光學效應的判定、分析和測試。文中給出了采用該方法測試磷酸二氫鉀(KDP)、三硼酸鋰(LBO)、偏硼酸鋇(BBO)等晶體非線性光學系數的實驗結果。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，測試光源為氙燈泵浦的Nd∶YAG-KTP電光調Q激光器，磷酸鈦氧鉀(KTP)為二倍頻晶體，輸出波長532 nm，單脈沖能量100 mJ，重復頻率1～10 Hz，脈沖寬度為8 ns；為保證266 nm光的透過率，采用紫外融石英做窗口片，型號為JGS1；為保證測試的準確性，選擇光柵光譜儀分光，波長范圍200～1 100 nm，光譜分辨率0.5 nm，波長精度0.2 nm，波長重復精度0.1 nm；對于信號光的探測，采用制冷型CCD陣列探測器，可覆蓋150～1 100 nm波長范圍。

1.2 性能測試

采用日本理學MinFlex600型號粉末衍射儀進行物相分析，輻射光源為Cu Kα射線，2θ范圍為10°～80°，步長為0.02°；采用搭建的紫外粉末二階非線性光學測試系統對KDP、LBO、BBO進行測試。

2 結果與討論

2.1 物相分析

由KDP、LBO、BBO經過處理得到粉末的XRD圖譜如圖2～4所示，粉末的XRD衍射峰與純的標準PDF卡片完全一致，沒有多余的雜峰，表明KDP、LBO、BBO原料為純晶料。將XRD數據導入到Jade中，通過擬合計算確定其晶胞參數，與已報道的晶體物相結構相吻合。

2.2 性能參數

采用搭建的紫外粉末二階非線性光學測試系統進行測試實驗，選擇KDP、LBO、BBO作為標準樣品，通過瑪瑙研缽研制成粉末，使用幾種規格的標準篩把晶體粉末篩成不同顆粒度的顆粒，其尺寸范圍分別為：46～50 μm，50～75 μm，75～100 μm，100～150 μm，150～200 μm。測得的數據如圖5所示，倍頻信號隨著不同顆粒度變化。其中LBO晶體隨著顆粒度的增加，信號逐漸減弱；KDP與LBO晶體隨著顆粒度的增加信號先增加隨后基本保持不變，這符合Kuitz的理論，表明LBO晶體為非相位匹配，KDP、BBO晶體均為相位匹配，與事實相符合。

3 結 論

根據Kurtz-Perry粉末倍頻效應理論，搭建紫外粉末二階非線性光學測試系統，拓展粉末二階非線性光學測試到紫外波段。經過KDP、LBO、BBO等常見的紫外晶體測試，證明本方法具有穩定可靠、判別精度高、操作簡單等優點，可以有效地定性或半定量測試材料的紫外二階非線性光學性能，為研究紫外二階非線性光學材料提供重要的測試手段，具有很大的應用潛力。