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。

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%。

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。

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。

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 .

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。

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。

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。

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。

CO_2激光差频GaSe晶体产生太赫兹波的数值计算

以可调谐CO2激光差频非线性GaSe晶体为例，在共线相位匹配方式下，计算了oe—e和oe—o两种相位匹配方式下的角度调谐特性、有效非线性系数、走离角和允许角。结果表明：GaSe晶体可产生73．84～3000μm的太赫兹波，且有效非线性系数为4l-54pm／V；走离角在1．771°～10．63°之间；所允许的最大发散角为13．95～94．7μm·rad，对入射光的方向性要求较高。对于500μm以上的太赫兹波，两种匹配方式除有效非线性系数外没有大的区别。模拟结果对于开展基于激光差频技术产生太赫兹的研究具有重要的指导意义。

CO激光在非线性晶体ZnGeP_2和GaSe中的混频效应(英文)

为了获得2.15～1 500μm的相干光源,研究了CO激光在高质量非线性晶体ZnGeP2和GaSe中的混频效应。为了提高转换效率,在激光锁模方式下对CO激光器的二次谐波、和频和差频的产生进行了研究。结果显示,利用GaSe晶体和ZnGeP2晶体,调Q多谱线CO激光辐射的谱线内倍频效率分别大于0.3%和1.1%。采用ZnGeP2晶体进行倍频时,可调谐锁膜CO激光器的转换效率为12.5%。模拟结果显示,二次谐波与和频产生的输出光谱相同。相邻谱线下,和频和差频的产生过程中,基波和一次谐波可以分别在4.0～5.0μm和100～≥1 200μm(太赫兹范围)形成振荡。利用锁模CO激光器在ZnGeP2晶体中的混频效应,可以得到2.15～≥1 500μm的相干光源,同时转换效率可达到甚至高于12.5%。

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。

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。

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。

TEA CO_2激光在AgGaSe_2晶体中的倍频实验研究

实验上实现了TEACO2 激光在AgGaSe2 非线性光学晶体中的倍频光产生。着重研究了TEACO2 激光的能量、脉冲重复频率以及基波的焦点位置对于倍频光输出的影响。实验中得到了倍频光的角度调谐曲线 ,将入射光聚焦在晶体的中心区域 ,获得最大倍频光输出能量为 1 32mJ。脉冲能量转换效率为 2 4 % ,主脉冲的最大转换效率为 4 %。还分析了脉冲重复频率的变化 ( <10Hz)对倍频转换效率的影响。实验结果发现抑制倍频转换效率的主要因素为晶体的光学质量、激光脉冲低功率密度的拖尾以及激光脉冲的不稳定。特别由于脉冲附带长的拖尾加剧了热透镜效应 ,使得脉冲重复频率的增加引起转换效率的降低。

在AgGase_2晶体中TEA CO_2激光的倍频产生

用炉温下降法生长出尺寸为φ２０×６０ｍｍ的ＡｇＧａＳｅ２单晶体。在１２ｍｍ长，切角为５５°的ＡｇＧａＳｅ２中，获得了ＴＥＡＣＯ２激光的倍频输出，其功率转换效率为１．１２％。泵浦阈值和破坏阈值分别为３ＭＷ／ｃｍ２和１１ＭＷ／ｃｍ２。还讨论了泵浦束的发散角对二次谐波转换效率的影响。

硒镓银晶体的结构与光学特性研究

用坩埚旋转下降法生长出 2 2mm× 88mm的红外非线性光学晶体硒镓银 ,并对其结构与光学特性进行了研究 ,测定出晶体结构为 4- 2m点群 ,晶格常数a =0 .5 993 3mm ,c =1.0 884nm ,熔点860℃ ,在 10 .6μm附近的透过率为 62 .4% ,对 10 .6μmCO2 激光的能量转换效率达 12 %。此外 ,还进行了扫描电子显微镜 (SEM )图像观察和核光谱特性测量。

硫镓银晶体的定向切割

研究了一种准确、简捷定向切割硫镓银(AgGaS2)晶体的新方法。利用晶体结构特点,从AgGaS2晶体上解理出两个不平行的{101}晶面,结合其晶面间夹角关系和标准极图,确定出晶体的C轴方向。然后,以C轴为基准,按相位匹配角度对晶体进行切割,得到器件的通光面。再对切割出的器件初样进行加工和采用X射线衍射修正,获得了10 mm×10 mm×20 mm的AgGaS2晶体光参量振荡(OPO)器件。新方法对AgGaS2晶体进行定向切割加工,精度高、操作简便、重复性好,不仅可用于AgGaS2晶体的定向切割,而且可用于其它一些具有类似结构晶体的定向切割。

硫镓银晶体的化学腐蚀研究

采用改进的垂直布里奇曼(Bridgman)法自发成核生长AgGaS2晶体,在生长初期对生长安瓿籽晶袋进行上提回熔,生长出外观完整、无裂纹的大尺寸AgGaS2单晶体。采用XRD对晶体进行分析,获得了(112)、(001)和(101)面的高强度尖锐衍射峰。采用不同配比的腐蚀剂对晶体(101)、(112)及(001)晶面进行化学腐蚀,然后采用金相显微镜和扫描电镜观察,结果显示,(101)晶面蚀坑为清晰的近似三角形的四边形蚀坑,(112)晶面蚀坑为清晰的近似三角锥形,(001)晶面则呈现互相垂直的腐蚀线。初步分析了不同蚀坑的形成原因,计算出(101)和(112)面蚀坑密度约为105/cm2数量级。结果表明,改进方法生长出的大尺寸AgGaS2单晶体结构完整、位错密度低,质量较好。

CO_2激光参量上转换的研究

本文首次报道了CO_2激光在AgGaS_2晶体中上转换成近红外辐射的研究结果。用SPD-052雪崩光电二极管探测,获得的等效噪声功率(NEP)～3.8×10^(-8)W,探测灵敏度(D_λ~#)～10^(10)cmHz^(1/2)W^(-1)。Ⅱ类非共线相位匹配的功率转换效率估计为10％。