李丙軒,許 珊，廖文斌,張 戈,陳瑋冬，林長浪，黃凌雄

(1.中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所，福州 350102；2.中國福建光電信息科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室(閩都創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室)，福州 350108；3.長江大學(xué)，荊州 434023)

0 引 言

1961年Franken和他的合作者[1]發(fā)現(xiàn)石英晶體的倍頻效應(yīng)以來，二階非線性光學(xué)取得了飛速的發(fā)展。二階非線性光學(xué)晶體在醫(yī)療[2]，遙感[3]，軍事[4]等領(lǐng)域方面發(fā)揮著重要作用。紫外,特別是深紫外相干光源,在紫外光譜學(xué)研究、半導(dǎo)體光刻技術(shù)、納米機(jī)械微加工以及生物基因工程等領(lǐng)域扮演著重要角色，紫外非線性光學(xué)晶體是實(shí)現(xiàn)該波段的關(guān)鍵材料，探索紫外非線性光學(xué)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(xué)系數(shù)，可實(shí)現(xiàn)相位匹配等。

探索新的二階非線性光學(xué)晶體材料，必須判定晶體是否有二階非線性光學(xué)性能、是否可以相位匹配以及二階非線性光學(xué)系數(shù)大小等。二階非線性光學(xué)系數(shù)表征了晶體的二階非線性光學(xué)能力，國內(nèi)外對于測量單晶的二階非線性光學(xué)系數(shù)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(nèi)外多以粉末晶體的倍頻效應(yīng)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(yīng)可以表征其二階非線性光學(xué)能力；國內(nèi)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(xué)晶體材料所蔣民華等[13]采用聲光調(diào)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(tuán)隊(duì)[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(xué)材料研究的進(jìn)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(zhǔn)確度問題，而且相應(yīng)紫外波段的二階非線性光學(xué)測試系統(tǒng)僅福建物構(gòu)所[19]、新疆理化所[20]等單位報道過自行搭建的測試系統(tǒng)，但不一定能完全區(qū)分倍頻光與其他效應(yīng)產(chǎn)生的光，更談不上有商業(yè)化的產(chǎn)品供應(yīng)，因此亟需開發(fā)新型的紫外波段的二階非線性光學(xué)測試儀器[21-22]。

為解決紫外波段的非線性光學(xué)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(dǎo)致的測量誤差。為更準(zhǔn)確地探測倍頻信號，將倍頻光及其他光效應(yīng)產(chǎn)生的光通過光柵光譜儀分光并用CCD陣列探測器進(jìn)行探測。陣列CCD可以實(shí)現(xiàn)在一次曝光中，獲得不同波長的信號值，因此，可以用來準(zhǔn)確判斷所測量光信號的波長、譜寬、強(qiáng)度等參數(shù)。若是倍頻光信號，則倍頻光的波長正好是激發(fā)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(fā)激光無內(nèi)在聯(lián)系且半峰寬很寬。根據(jù)這兩種光信號的顯著差異，可容易獲得準(zhǔn)確的測量值。把激光激發(fā)產(chǎn)生的光信號全部經(jīng)過譜儀分光后，選定激發(fā)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(jù)光譜分辨率的高低而設(shè)定，λ值越小則分辨率越高)的譜帶。根據(jù)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(zhì)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(shí)現(xiàn)二階非線性光學(xué)效應(yīng)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(xué)系數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，測試光源為氙燈泵浦的Nd∶YAG-KTP電光調(diào)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(fù)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(zhǔn)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(fù)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(xué)MinFlex600型號粉末衍射儀進(jìn)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(xué)測試系統(tǒng)對KDP、LBO、BBO進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 物相分析

由KDP、LBO、BBO經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)導(dǎo)入到Jade中，通過擬合計(jì)算確定其晶胞參數(shù)，與已報道的晶體物相結(jié)構(gòu)相吻合。

2.2 性能參數(shù)

采用搭建的紫外粉末二階非線性光學(xué)測試系統(tǒng)進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)，選擇KDP、LBO、BBO作為標(biāo)準(zhǔn)樣品，通過瑪瑙研缽研制成粉末，使用幾種規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)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(shí)相符合。

3 結(jié) 論

根據(jù)Kurtz-Perry粉末倍頻效應(yīng)理論，搭建紫外粉末二階非線性光學(xué)測試系統(tǒng)，拓展粉末二階非線性光學(xué)測試到紫外波段。經(jīng)過KDP、LBO、BBO等常見的紫外晶體測試，證明本方法具有穩(wěn)定可靠、判別精度高、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，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(xué)性能，為研究紫外二階非線性光學(xué)材料提供重要的測試手段，具有很大的應(yīng)用潛力。