具有大尺寸(001)晶面的有机DAST晶体生长与THz波产生

具有大尺寸(001)晶面的有机晶体DAST(4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲苯磺酸盐)的生长对构建高强度宽带THz辐射源具有重要意义,但也极具挑战性。本论文采用斜板法结合缓慢冷却技术,研究了生长液浓度对晶体长宽比的影响。通过对生长条件的精确控制,生长出了具有大面积(001)晶面的DAST晶体。经检测,晶体具有良好的表面质量。晶体在无需表面抛光的条件下,实现了单周期太赫兹脉冲输出,光-太赫兹转换效率达到0.66%。

DAST晶体的表面形貌、缺陷及显微硬度研究

利用自行合成的4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐(DAST)原料,用斜板法生长出了一定尺寸的DAST晶体。用X射线衍射仪(XRD)对所得样品进行了表征,用光学显微镜观察了不同晶体(001)面的形貌特征并对其进行了分析,对不同腐蚀剂作用下的腐蚀坑的特点和成因进行了研究,测定了不同载荷下DAST晶体(001)面的显微硬度值。

DAST晶体的原料合成与生长

研究了DAST晶体原料的合成方法,通过优化实验条件,得到了相应的合成产物。对合成产物进行了元素分析、红外光谱分析、核磁共振分析、XRD分析,证实了所得产物即为DAST。利用合成的DAST原料通过斜板法进行了初步的晶体生长实验,得到了形貌较为完整的DAST晶体。

基于DAST晶体差频的可调谐THz辐射源

基于自发成核法自行生长的4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲苯酸盐(DAST)晶体,可实现宽带可调谐THz辐射输出。实验探究饱和生长溶液质量浓度对晶体生长形态和光学质量的影响,并结合晶体的拉曼光谱,对其生色团振动和转动特性进行分析。采用波长为1.3~1.5μm的高能量、可调谐双波长的激光为泵浦光,基于0类相位匹配外腔差频和电控振镜快速扫描技术,实现了0.1~20.0THz的宽带THz辐射输出。在18.9THz处,每个脉冲最大输出能量为3.59μJ,转换效率为2.39×10-4。基于宽带THz输出谱可知,DAST晶体对THz波的吸收主要是因为晶格振动引起的。

有机非线性光学晶体DAST的太赫兹发射性能

研究了DAST晶体的有效二阶非线性系数和太赫兹发射性能。实验以DAST-甲醇溶液的亚稳区范围为依据,采用溶液降温法进行DAST的生长。实验发现,降温速率越快,晶体的生长速度越快,但晶体易发生多晶转变;在晶体生长后期,采用较慢的降温速率,有利于晶体厚度的增加。经磨抛后的晶体表面粗糙度能够达到光学测试等级(微米级)要求。经测试,DAST晶片有效二阶非线性系数平均值为16.58 pm/V,实现了频率范围0.84~10 THz的太赫兹波发射,并在2.72 THz处具有最大发射强度。

降温速率对DAST单晶生长的影响

使用籽晶法通过调整降温速率生长出高质量4-N,N-二甲胺基-4′-N′-甲基-氮杂芪对甲苯磺酸盐(DAST)晶体,研究了降温速率对DAST晶体结晶质量、光学特性及太赫兹输出特性的影响。通过核磁共振分析表征了合成原料的结构和纯度。使用X射线衍射仪对生长晶体的(001)面进行X射线摇摆曲线测试,测试结果表明在降温速率为0.1℃/d条件下获得的晶体质量最佳,其摇摆曲线半高宽(FWHM)为57.6″。此条件下生长的晶体在780~1576 nm波长范围内光透过率达65%。使用差频法从DAST晶体中产生了0.1~20 THz范围内的宽频可调谐太赫兹波,在18.8 THz处得到太赫兹波最大输出能量为0.477μJ/脉冲,对应的能量转换效率达5.31×10^(-5)。

有机非线性光学晶体DAST及其在太赫兹领域的应用研究进展

主要介绍DAST晶体的基本结构和物理性能参数,几种不同生长方法及基于有机DAST晶体通过光学差频法产生THz波.重点研究了基于DAST晶体利用光学差频法产生太赫兹(THz)波过程中,泵浦光源的双波长调谐范围及光束质量对THz调谐范围及转换效率的影响,及其利用光整流法产生THz波的过程中,泵浦光(飞秒激光的波长、脉冲宽度和能量)对THz脉冲输出能量和转换效率的影响.综合分析影响THz辐射性能的因素及其获得大尺寸高质量晶体的主要挑战.本课题组在系统分析利用自发成核、斜板、籽晶和双温区法生长晶体优缺点的基础上,利用自发成核结合顶部籽晶法生长出高质量、尺寸为25 mm×22 mm×2 mm的晶体.下一步计划从晶体生长和泵浦光束的质量两方面改善THz输出能量及光-THz波转换效率.