粉末紫外二阶非线性光学性能测试研究

李丙轩,许 珊，廖文斌,张 戈,陈玮冬，林长浪，黄凌雄

(1.中国科学院福建物质结构研究所，福州 350102；2.中国福建光电信息科学与技术创新实验室(闽都创新实验室)，福州 350108；3.长江大学，荆州 434023)

0 引 言

1961年Franken和他的合作者[1]发现石英晶体的倍频效应以来，二阶非线性光学取得了飞速的发展。二阶非线性光学晶体在医疗[2]，遥感[3]，军事[4]等领域方面发挥着重要作用。紫外,特别是深紫外相干光源,在紫外光谱学研究、半导体光刻技术、纳米机械微加工以及生物基因工程等领域扮演着重要角色，紫外非线性光学晶体是实现该波段的关键材料，探索紫外非线性光学晶体必须满足几个必要条件，如短紫外截止边，大的非线性光学系数，可实现相位匹配等。

探索新的二阶非线性光学晶体材料，必须判定晶体是否有二阶非线性光学性能、是否可以相位匹配以及二阶非线性光学系数大小等。二阶非线性光学系数表征了晶体的二阶非线性光学能力，国内外对于测量单晶的二阶非线性光学系数的方法主要有两种，一种方法是相位匹配二次谐波法[5](Second Harmonic Generation,简称SHG)，另一种是Maker条纹法[6]。新晶体探索阶段，多以小尺寸晶粒存在，国内外多以粉末晶体的倍频效应作为测试方法。1968年，Kurtz等[7]证明通过测试粉末晶体的倍频效应可以表征其二阶非线性光学能力；国内方面多家单位也开展了粉末倍频测试的研究[8-12]，1987年12月山东大学晶体材料所蒋民华等[13]采用声光调制的1 W YAG激光器测试粉末倍频信号；2009年刘桂香等[14]提出采用光纤探测器探测粉末样品的倍频光和基频光，提高了测量精度。2014年作者所在团队[15]提出采用1 064 nm与1 950 nm的双波长激光器，将测试拓展到红外波段。

然而，随着紫外波段二阶非线性光学材料研究的进展[16-18]，上述测试方法存在着很多局限性，如紫外波段的吸收问题，测试的准确度问题，而且相应紫外波段的二阶非线性光学测试系统仅福建物构所[19]、新疆理化所[20]等单位报道过自行搭建的测试系统，但不一定能完全区分倍频光与其他效应产生的光，更谈不上有商业化的产品供应，因此亟需开发新型的紫外波段的二阶非线性光学测试仪器[21-22]。

为解决紫外波段的非线性光学性能测试，本文提出了一种新的测试手段，采用532 nm的高功率纳秒激光作为光源，采用紫外融石英JGS1作为整个测试的窗口片，避免了吸收导致的测量误差。为更准确地探测倍频信号，将倍频光及其他光效应产生的光通过光栅光谱仪分光并用CCD阵列探测器进行探测。阵列CCD可以实现在一次曝光中，获得不同波长的信号值，因此，可以用来准确判断所测量光信号的波长、谱宽、强度等参数。若是倍频光信号，则倍频光的波长正好是激发激光波长的一半且半峰宽很窄，若非倍频光信号，则一般其光信号的波长与激发激光无内在联系且半峰宽很宽。根据这两种光信号的显著差异，可容易获得准确的测量值。把激光激发产生的光信号全部经过谱仪分光后，选定激发光波长的一半位置作为CCD阵列探测器的探测中心，就可获得(0.5λ)(λ可根据光谱分辨率的高低而设定，λ值越小则分辨率越高)的谱带。根据该谱带的特征就可很容易地识别出光信号是属于哪种性质的光(倍频光或非倍频光或倍频光和非倍频光的混合光)，从而实现二阶非线性光学效应的判定、分析和测试。文中给出了采用该方法测试磷酸二氢钾(KDP)、三硼酸锂(LBO)、偏硼酸钡(BBO)等晶体非线性光学系数的实验结果。

1 实 验

1.1 实验装置

实验装置如图1所示，测试光源为氙灯泵浦的Nd∶YAG-KTP电光调Q激光器，磷酸钛氧钾(KTP)为二倍频晶体，输出波长532 nm，单脉冲能量100 mJ，重复频率1～10 Hz，脉冲宽度为8 ns；为保证266 nm光的透过率，采用紫外融石英做窗口片，型号为JGS1；为保证测试的准确性，选择光栅光谱仪分光，波长范围200～1 100 nm，光谱分辨率0.5 nm，波长精度0.2 nm，波长重复精度0.1 nm；对于信号光的探测，采用制冷型CCD阵列探测器，可覆盖150～1 100 nm波长范围。

1.2 性能测试

采用日本理学MinFlex600型号粉末衍射仪进行物相分析，辐射光源为Cu Kα射线，2θ范围为10°～80°，步长为0.02°；采用搭建的紫外粉末二阶非线性光学测试系统对KDP、LBO、BBO进行测试。

2 结果与讨论

2.1 物相分析

由KDP、LBO、BBO经过处理得到粉末的XRD图谱如图2～4所示，粉末的XRD衍射峰与纯的标准PDF卡片完全一致，没有多余的杂峰，表明KDP、LBO、BBO原料为纯晶料。将XRD数据导入到Jade中，通过拟合计算确定其晶胞参数，与已报道的晶体物相结构相吻合。

2.2 性能参数

采用搭建的紫外粉末二阶非线性光学测试系统进行测试实验，选择KDP、LBO、BBO作为标准样品，通过玛瑙研钵研制成粉末，使用几种规格的标准筛把晶体粉末筛成不同颗粒度的颗粒，其尺寸范围分别为：46～50 μm，50～75 μm，75～100 μm，100～150 μm，150～200 μm。测得的数据如图5所示，倍频信号随着不同颗粒度变化。其中LBO晶体随着颗粒度的增加，信号逐渐减弱；KDP与LBO晶体随着颗粒度的增加信号先增加随后基本保持不变，这符合Kuitz的理论，表明LBO晶体为非相位匹配，KDP、BBO晶体均为相位匹配，与事实相符合。

3 结 论

根据Kurtz-Perry粉末倍频效应理论，搭建紫外粉末二阶非线性光学测试系统，拓展粉末二阶非线性光学测试到紫外波段。经过KDP、LBO、BBO等常见的紫外晶体测试，证明本方法具有稳定可靠、判别精度高、操作简单等优点，可以有效地定性或半定量测试材料的紫外二阶非线性光学性能，为研究紫外二阶非线性光学材料提供重要的测试手段，具有很大的应用潜力。