中远红外非线性光学晶体AgGaS_2、AgGaSe_2和AgGa_(1-x)In_xSe_2研究进展

综合报道了本实验室关于黄铜矿类I-III-VI2型系列晶体的研究进展。采用两温区气相输运温度振荡法合成出高纯、单相、致密的多晶材料,在三温区立式炉中用坩埚旋转下降法生长出AgGaS2、AgGaSe2和AgGa1-xInxSe2等系列单晶体,X射线单晶衍射谱和回摆谱表明晶体的结晶性好,结构完整;红外透过率接近理论值,吸收系数低于0.017 cm-1,表明生长的晶体光学质量高。研究出一种新的能对AgGa1-xInxSe2晶体(112)晶面进行择优腐蚀的腐蚀剂:(30 g CrO3+10 mL H2O)∶H4PO4(85%)∶HNO3(65～68%)∶HF(40%)=10∶10∶10∶2(体积比),在60℃下腐蚀40 min,能够清晰地显示出AgGa1-xInxSe2晶体(112)面取向一致的三角形腐蚀坑,边界清晰,蚀坑密度大约为105/cm2数量级。采用自行研制的晶体定向切割新方法,加工出AgGa1-xInxSe2-OPO器件,获得了3～5μm的激光输出,光-光转换效率达21%。

用于红外变频的大尺寸AgGaS_2晶体生长

在红外变频非线性光学应用中需要高光学质量大尺寸AgGaS2 晶体元件。我们采用改进的Bridgman方法生长直径 2 8mm、长度 6 0～ 80mm的晶体棒。成功生长的关键是要采用C向籽晶。 [0 0 1]籽晶生长的晶体中很少发现裂纹、聚片孪晶等宏观缺陷。在Ag2 S共存下的热处理能有效地排除晶体中的异相沉淀 ,显著改善透明度。我们制备的Ⅰ型相位匹配 8mm× 10mm× 16mm和 5mm× 5mm× 15mmAgGaS2 晶体元件分别成功地应用于差频、和频激光实验。

AgGaS_2晶体生长裂纹研究

从理论和实验上对AgGaS2 晶体生长中易产生裂纹甚至开裂的现象与其热应力、晶体尺寸以及温度梯度、生长速率等生长参数之间的关系进行了研究。结果表明:晶体产生裂纹甚至开裂与生长速率、坩埚旋转速率、冷却速率所造成的热应力和热应变有关。采用改进的Bridgman法成功地生长出尺寸为12mm×30mm无裂纹的AgGaS2单晶体,给出了制备无裂纹、大尺寸AgGaS2 晶体的较佳生长工艺参数。

连续波可调谐CO_2激光在AgGaSe_2中倍频研究

在一台小型连续波(CW)CO2激光器上用光栅调谐获得了从9.23-10.65μm范围内20条谱线输出,用一片8 mm×8 mm×15 mm红外非线性光学晶体AgGaSe2实现了上述谱线的二倍频输出。实验测得10P(20)谱线的倍频光输出为2.1μW,相位匹配接收外角△θ外·L=2.1°·cm。

一种新型制备红外非线性晶体AgGaS_2的方法

采用改进的Bridgman法生长出25mm×70mm的AgGaS2单晶,并对样品进行了退火处理。通过X射线粉末衍射(XRD)测试,证实利用该方法制备的单晶确为AgGaS2;利用红外分光光度计检测,晶体0.5～12μm波段透过率在60%以上(未镀膜),表明晶体品质良好。另外,还加工出两块不同角度5mm×5mm×5mm倍频元件,在2.79μmEr,Cr∶YSGG和9.6μmCO2激光器上实现了倍频光输出。

GaSe：AgGaSe_2晶体的光学性能及应用(英文)

从GaSe:AgGaSe2熔体(质量掺杂浓度为10%)中生长的非线性光学晶体ε-GaSe:Ag晶体(质量掺杂浓度≤0.04%)是一种非中心对称晶体,可用于相位匹配频率转换。Ag的掺入使GaSe晶体的显微硬度提高了30%,从而使其可以在任意方向上进行切割和抛光。本文研究了GaSe:AgGaSe2晶体在可见、中红外及太赫兹波段的光学性能。实验证明:GaSe:AgGaSe2晶体的吸收系数是纯GaSe晶体的2倍,其CO2激光倍频效率是ZnGeP2晶体的1.7倍。

3～5μm AgGaS2光参量振荡器的优化分析

研究调Q Nd∶YAG(1.064μm)激光器泵浦的AgGaS2光学参量振荡器.根据三波互作用的相位匹配原理,分析AgGaS2光学参量振荡器的Ⅰ类相位匹配角、角度调谐曲线和有效非线性系数等动力学参数.计算在小信号近似下,允许角随输出波长和晶体长度的变化规律,并讨论允许角对相位失配系数的影响.在允许的相位失配范围内,研究晶体长度对转换效率的影响.

AgGaSe2晶体差频产生可调谐太赫兹波的理论研究

基于单轴晶体中三波互作用的共线相位匹配技术,采用CO2激光器泵浦非线性晶体AgGaSe2,数值计算出在oee类和oeo类相位匹配条件下,差频产生太赫兹波的相位匹配角、走离角、允许角和有效非线性系数。计算结果表明:两类相位匹配太赫兹波可调谐的范围都非常宽,而且走离角都在1°以下,允许角足够大。在绝大部分太赫兹波区域,oee类匹配有效非线性系数远大于oeo类匹配,实验中适合采用oee类相位匹配方式。

AgGaS_2晶体生长成核研究

本文在对红外非线性光学材料AgGaS2的DTA谱线进行分析的基础上,对AgGaS2的结晶习性进行了研究。对传统的Bridgman Stockbarger法进行了改进,设计出新的三温区立式炉,炉内温度梯度达到生长晶体的要求。根据自发成核的几何淘汰理论,针对AgGaS2的结晶特点,设计出适宜的石英生长安瓿,形状能够满足AgGaS2晶体结晶习性的需要,成功地生长出完整性较好的尺寸达10mm×25mm的AgGaS2单晶体。

基于CO2激光的AgGaSe2晶体中3次谐波产生

为了在AgGaSe2晶体中产生3次谐波,利用自行研制的1台可调谐脉冲CO2激光器,在2次谐波中采用Ⅰ类匹配,并在3次谐波中采用Ⅱ类匹配的方法。实验中CO2激光输出波长为9.6μm,在AgGaSe2晶体中得到了波长为4.8μm的2次谐波以及波长为3.2μm的3次谐波,其峰值功率分别为88kW和4kW,并测量了相位匹配允许角。结果表明,在该AgGaSe2晶体实验中能有效地输出3次谐波,随着CO2激光功率的增大,输出2次谐波峰值功率和3次谐波峰值功率的级数都增加。

AgGaSe_2晶体的改进Bridgman法生长

本文报导了一种ＡｇＧａＳｅ２生长工艺，可有效地从熔体中排出非凝聚气相杂质，结合一项改进的坩埚镀碳技术，提高了生长优质ＡｇＧａＳｅ２单晶的成品率。文中还给出了晶体样品的红外观测，红外透过光谱和光电流谱，以及可调谐ＴＥＡＣＯ２激光倍频的实验结果。

连续离子层吸附反应(SILAR)法制备AgGaS_2纳米薄膜及性能表征

采用连续离子层吸附反应(SILAR)法,通过500℃退火在玻璃衬底上制备出AgGaS2纳米薄膜。使用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、紫外可见(UV-Vis)谱和光致发光(PL)谱等对纳米薄膜的物相、形貌、化学配比和光学性能进行了定性和定量表征。XRD测试结果表明,实验获得产物为黄铜矿结构AgGaS2,并观测到(112)面和(224)面。使用Scherrer公式估算了AgGaS2产物的晶粒平均粒度大小约为30 nm。SEM观测到的AgGaS2纳米薄膜外形均匀一致,沉积紧密,薄膜沉积的纳米平均颗粒直径约为18～26 nm。EDS测试结果显示AgGaS2纳米薄膜中Ag、Ga和S三元素的原子相对百分含量为25.12%,26.66%和49.93%,其化学计量比几近于1:1:2物质的量比。通过紫外可见透过光谱得到截止波长为470.1 nm,禁带宽度为2.64 eV。室温PL测试发现发光中心在456 nm,与AgGaS2晶体发光中心相比产生了约40 nm的蓝移。以上结果充分表明SILAR法是一种制备AgGaS2纳米薄膜的有效方式。

用于AgGaS_2晶体生长的石英安瓿镀碳工艺研究

采用金相显微镜、推力分析仪等测试手段研究了石英安瓿内壁镀碳工艺对所镀碳膜的表面形貌、碳膜和石英安瓿结合力的影响。获得了一个较佳的镀碳工艺,即在气体流量为600 ml/min,镀碳温度在1060℃-1100℃之间,镀碳时间为30 min,冷却时间为11 h的条件下可获得均匀、致密而且与石英安瓿内壁结合牢固的碳膜层。采用该工艺镀膜的石英安瓿生长的AgGaS2晶体完整,表面光洁透明,位错密度低,约为6×10^4cm^-2。

用X射线衍射方法研究AgGaSe_2晶体的完整性

采用坩埚旋转下降法生长出 Ag Ga Se2 大单晶 ,借助 X射线衍射方法研究其完整性 ,结果表明晶体具有好的均匀性和完整性 .

AgGaS_2和AgGaSe_2的非临界相位匹配

AgGaS2 ,AgGaSe2 皆为负单轴晶 ,其双折射不仅满足三光束在晶体透光区域的相位匹配 ,而且还可以实现室温下三光束 90°角相位匹配 ,即非临界相位匹配。 90°匹配时光波的离散角为零 ,有效非线性系数达到最大值 ,晶体的接收角和光谱接收宽度均显著增加 ,这些都将极大地提高转换效率 ;而且 ,还可以采用二极管激光器 (LD)直接泵浦晶体 ,故 90°匹配技术深受人们青睐。( 1 )根据三波作用能量守恒和动量守恒 ,及晶体折射率色散方程 ,可以求解 ,描绘出 90°相位匹配时三光束波长关系曲线。对AgGaSe2 90°入射的泵光从 0 .5 6 μm延伸到 0 .89μm ,输出 0 .5 9～ 1 0 .6 μm调谐参量光 ;对AgGaS2 90°入射的泵光从 1 .0 μm延伸到 1 .5 5 μm ,输出 1 .1 4～ 1 8μm调谐参量光。AlGalnP红光LD( 6 30～ 6 70 μm)和Al(In)GaAS近红外LD( 780～ 81 0 μm)均可作为AgGaS2 参量泵浦光源。通信用InGaAl/GaAs( 1 0 1 7μm) ,一直到InGaAsP 1 .3μm和 1 .5 5 μm大功率LD均可泵浦AgGaSe2 。此外 ,染料 ,Nd :YAG ,钛宝石 ,Cr:LiSAF ,Cr:MgSiO4,Cr:YAG等激光器也是 90°AgGaSe2 ,AgGaSe2 适宜泵浦光源。( 2 )在长波方向 90°AgGaSe2 对应于 1 2 .9μm激光倍频 ,对AgGaSe2 掺入适当同族元素降低双折射以后 ,可以使 90°晶?

基于CO_2激光的AgGaS_2差频产生太赫兹波的数值分析

采用中红外CO_2激光差频产生太赫兹波是提高转换效率和输出功率的一种有效方法。根据差频过程中的三波互作用对AgGaS_2晶体进行了理论分析,数值模拟了oeo类和oee类两种匹配条件下差频产生太赫兹波的角度调谐曲线,并计算了光波在晶体中的走离角和允许参量。另外,还考虑了晶体的有效非线性系数和理论功率转换效率。研究结果表明,AgGaS_2晶体适用于中红外CO_2激光差频产生可广泛调谐的太赫兹波。

利用AgGaS_2与AgGaSe_2晶体差频获得中红外射线的性能研究

根据差频过程中参量光的三波耦合方程,对非线性晶体AgGaSe_2和AgGaS_2进行了差频光参量理论分析。经过数值模拟计算,得到了在Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配条件下,泵浦波长分别取不同值时差频调谐波长与调谐角度的理论曲线。在Ⅰ类相位匹配条件下,当PPLN—OPA的泵浦波长为1064nm时,AgGaS2与AgGaSe_2的调谐波长范围,分别是4～13μm和4～18μm,其对应的调谐角度范围分别是31.8～37.3和43.4、61.55度。

gGaS_2单晶生长与完整性研究

采用二温区气相输运温度振荡方法合成了高纯单相致密的AgGaS2 多晶 ,计算出晶格常数a=5.7535nm ,c =10 .30 0 8nm ,以及S原子位置x =0 .2 79,与PDF值相差很小 ,表明其是高质量的多晶原料。以此为原料用改进Bridgman法生长出直径 15mm长度 30mm的单晶体 ,经外形观测、解理试验和X射线衍射分析表明其是结晶完整的单晶体。

AgGa(S_(1-x)Se_x)_2固溶体的电子结构和光学性质

采用基于赝势平面波基组的密度泛函理论方法,对一系列具有黄铜矿结构的AgGa(S1-xSex)2固溶体的构型、电子结构、线性和二阶非线性光学性质进行了系统研究.结果表明,各固溶体具有类似的能带结构,体系带隙随x值增加而逐渐减小.当所引入的Hartree-Fock交换项贡献为22.56%时,对应的杂化PBE泛函得到的带隙值与实验结果相近.固溶体的各种光学性质,包括折射率、双折射率、反射率、吸收系数和二阶倍频系数等均随着组成的改变呈现出有规律的变化趋势,变化范围介于AgGaS2和AgGaSe2二者之间.因此,利用固溶体光学性质的变化规律,可从中寻找出具有特定光学性能的晶体材料.

新型AgGa_(1-x)In_xSe_2晶体用于CO_2激光倍频研究

本实验室用布里奇曼方法成功生长出有应用前景的新型四元非线性AgGa1-xInxSe2晶体，对晶体光学透过，红外低倍显微成像，反射损耗和吸收系数进行了研究和计算。基于纯AgGaSe2和AgInSe2的Sellmeier方程，用线性内插方法计算了不同In含量的AgGa1-xInxSe2在0．9～19μm的Sellmeier色散系数并建立了Sellmeier方程。计算和描绘了I型相位匹配CO2激光二次谐波产生的调谐曲线。并标出我们的倍频实验数据。在近似非临界相位匹配条件下，进行了TEA CO2激光10．6μm在AgGa1-xInxSe2中的倍频实验研究，并与AgGaSe2进行了比较，测量的1#AgGa1-xInxSe：相位匹配角日及相位匹配接收外角△θext·L分别为88．2°和7．7°·cm，AgGa1-xInxSe2的倍频效率比AgGaSe2高出近3倍。