弁言

激光自觉现以来便在人类各领域生长中施展了极为主要的作用,并取得了重大手艺前进。特殊是紫外波段激光,在科学研究、光刻手艺、生物医学和质料加工等行业有普遍的应用需求。半导体光刻手艺的前进缔造了对158、193 nm相关光源的需求,先进科学仪器、纳米细密激光加工等也迫切需要深紫外激光。现在,只管准分子激光器能发生紫外、深紫外相关光源,但存在光束质量差、操作不利便等问题,而全固态紫外、深紫外激光光源线宽窄、光束质量高、可调谐、可靠性高、易操作,以是有非线性光学晶体的紧凑高效固态激光器仍有很大的需求市chang。

硼酸铯锂(CsLiB6 O10,简称CLBO)是一种综合性能优异的紫外、深紫外非线性光学晶体,具有高抗激光损伤阈值,较小走离角,较大吸收角,更大光谱带宽和温度带宽,普遍应用于Nd∶YAG、Nd∶YLF激光、钕玻璃激光的四ci和五ci谐波发生器,是现在输出5ω210 nm紫外激光高能量、高转换效聅hi白酆闲阅茏钣乓斓姆窍咝怨庋Ь,同时也可用于二倍频、三倍频、差频获得193 nm波长激光,在晶圆检测、显微光刻手艺、紫外雷达、生物医学有辽阔应用远景。

自1993年日本大阪大学发现CLBO晶体以来,其作为性能优良的紫外深紫外非线性光学晶体就获得海内外研究人yuan的普遍关注,Yoshimura、Mori等研究团队对CLBO晶体的寿命、抗激光损伤阈值等性能举行了详细研究和表征,迄今为止,大阪大学生长的CLBO晶体最大尺寸为160 mm×103 mm×87 mm,196 W 532 nm激光输入最高实现了42 W 266 nm激光输出。2017年,中国科学院理化手艺研究所接纳钼酸盐助熔剂生长出Al掺杂68 mm×59 mm×47 mm CLBO晶体。作为海内最早(1995年)开展CLBO晶体及器件研制事情的单元,中材人工晶体研究院有限公司通过与清华大学相助,生长出146 mm×132 mm×110 mm海内最大尺寸CLBO晶体,120 W 532 nm激光输入266 nm激光输出到达28.4 W。可是,硼酸盐非线性光学晶体硼氧jian链(O—B—O)所形成的三维网络结构导致硼酸盐晶体自助熔剂系统生长溶液的粘度很大,难以生长出高光学质量的晶体,而且系统很是敏感,晶体生长不稳固,情形转变会对生长系统造成影响,从而使天生态晶体中泛起许多直径约零点几个毫米的微管缺陷、条纹和位错缺陷,造成晶体的光学质量下降。怎样生长出大尺寸高质量CLBO晶体依然是当前研究重点之一。本文团结理论模拟设计理想温chang,基于自主研制的CLBO用大尺寸五段控温晶体生长炉对温度举行合理调控,襶uanＶご笊は低尘逦裙躺,接纳顶部籽晶法生长出高光学质量120 mm×112 mm×62 mm的大尺寸CLBO晶体,对切出的五倍频CLBO晶体元件举行了透过率、光学匀称性、弱吸收性能测试,为现实应用提供支持。

实验

CLBO晶体生长

以高纯Cs2 CO3(纯度99.99%)、Li2 CO3(纯度99.99%)、H3 BO3(纯度99.99%)为质料合成纯相晶体生长多晶料。an1∶1∶12的比例(物质的量比)准确称取质料,并充实混淆匀称,然后用马弗炉烧结,为了镌汰组分高温挥发,同时保证Cs2 CO3、Li2 CO和H3 BO3彻底剖析,接纳缓慢升温的要领升温至700℃,烧结24 h,获得烧结产物CLBO多晶料,对其举行粉末X射线衍射(XRD)物相剖析,效果显示,所获得的烧结CLBO多晶质料高纯无偏析。

将晶体生长质料放入铂金坩埚,并将其置于五段控温晶体生长炉中,升温至855~870℃,确保多晶质料充实熔化后,引入铂金制搅拌器举行充实搅拌。多点式测得稳态温chang,通过实验籽晶测得饱和点温度,在温度调高1℃的条件下缓慢引入Z向籽晶至液面,使外貌微熔,同步回降1℃至原温度。晶体生长27 d后获得120 mm×112 mm×62 mm无色蚲ai鞯ゾ,如图1所示,晶体外观完整无开裂,He-Ne激光照射下无肉眼可见散射颗粒。

测试与表征

在室温下用石墨单色化(铜阳极靶,λ=1.540 598?)的Rigaku Miniflex600粉末X射线衍射仪测得多晶样品的粉末X射线衍射图谱,将研磨的粉末样品an压在样品承载玻片上,并接纳ω-2ω联动扫描的网络方式对2θ=10°~60°举行数据网络,扫描步长0.02°,扫描时间0.2 s;

经细密抛光后,接纳Perkin-Elmer Lambda 900紫外-可见-近红外分光光度计测试晶体的透过光谱,波长规模为200~2 000 nm;

通过633 nm Zygo Verifire干预干与仪丈量晶体质料光学匀称性数据;

接纳光热共程干预干与仪(photo-thermal common path interferometer,PCI)对五倍频晶体元件举行1 064 nm波长的光学弱吸测试。

效果与讨论

晶体生长物相剖析

对烧团结成的晶体生长质料举行粉末XRD测试来磨练质料纯度,从图2中可以看出,烧结所得多晶质料XRD效果与尺度XRD(PDF#86-0131)的衍射峰逐一对应,批注用于CLBO晶体生长的多晶质料为纯相,无其他杂相存在,有利于大尺寸、高光学质量晶体的生长。

透过率剖析

对尺寸为5 mm×5 mm×3 mm CLBO晶体举行紫外-可见-红外区域的透过率测试,效果如图3所示,从透过率曲线中可看出晶体在210~1 800 nm的平均透过率凌驾90%,晶体紫外区透过率高,更有利于提高寿命、转换效率等,知足四倍频、五倍频晶体器件现实应用需求。

光学匀称性

蚲ai骶逡廊挥锌赡艽嬖谖⒐廴毕,由此引起的晶格内应力会导致晶体折射率发生转变,可以通过优化生长条件、热处置赏罚等要领来消除内应力,提高晶体光学质量。为磨练晶体质量,本文对晶体样品举行光学匀称性测试。将CLBO晶体沿相位匹配角偏向(φ=45°,θ=69.5°)切出5 mm×5 mm×3 mm五倍频晶体元件,室温下通过Zygo Verifire干预干与仪举行CLBO晶体光学匀称性测试,测试用激光光源波长633 nm,此条件下CLBO的n0为1.49[14]。丈量并盘算获得CLBO五倍频晶体元件折射率匀称性为3.8×10-5,如图4所示,这说明CLBO晶体元件光学匀称性优异。

弱吸收

弱吸收是非线性光学晶体的另一个主要的光学性子,弱吸收值可直接反映晶体对特定波长的吸收能力和迅速度,这与晶体现实应用亲近相关,为此,本文举行了弱吸收测试。尺寸为5 mm×5 mm×5 mm的CLBO五倍频晶体元件在1 064 nm临界波长的光学弱吸收曲线如图5所示,其中,两个最岑岭为晶体两头面的弱吸收,峰值间稳固区域为丈量体弱吸收,相位匹配偏向的弱吸收值仅为90×10-6 cm-1,与之前CLBO弱吸收研究效果相比([100]偏向弱吸收值为80×10-6 cm-1、[001]偏向为50×10-6 cm-1)[5,15],本文所得弱吸收测试效果与文献报道基本一致,本事情弱吸收测试偏向为相位匹配偏向,更具现实应用参考价值。

结论

本文接纳顶部籽晶法,选择合理工艺参数,生长出尺寸为120 mm×112 mm×62 mm的高质量CLBO单晶,晶体外观完整,无开裂、散射等宏观缺陷。丈量了XRD图谱,确定晶体生长质料为纯相。晶体样品的相关性能测试效果显示:210~1 800 nm的透过率凌驾90%;光学匀称性为3.8×10-5,批注内应力漫衍匀称,光学匀称性优异;五倍频相位匹配偏向弱吸收低,1 064 nm弱吸收为90×10-6 cm-1,在全固态紫外深紫外大功聅hiす夥矫嬗杏乓煊τ迷毒。后期仍须进一步优化生长方案,继续提高晶体质量和尺寸,以研制出知足差异应用需求的晶体。