红外非线性晶体材料AgGa1-xInxSe2的生长和性能表征

AgGa1-xInxSe2是近几年来研制的新型红外非线性光学晶体材料,其主要特点是借着Ga和In含量,即x值的变化,改变材料的折射率、双折射,实现三波共线非线性作用的非临界(90°)相位匹配.我们用垂直布里奇曼法生长单晶,获得了φ35mm×50mm的AgGa1-xInxSe2单晶棒.对生长出晶体棒In的浓度分布进行了测试.晶体元件用红外观察镜和分光光度计分别进行了观察和测试,晶体透光率良好.用一台TEA CO2激光泵浦一块5×6×16mm3的AgGa1-xInxSe2(x=0.3234)晶体元件,成功地实现了10.6μm非临界相位匹配倍频,输出5.3μm的中红外激光.     

AgGa1-xInxSe2单晶的生长研究

采用高纯(99.9999;)Ag、Ga、In和Se单质为原料,按化学计量比富Se0.3～0.5;配料,通过机械振荡和温度振荡相结合的方法合成出单相高致密AgGa1-xInxSe2多晶材料.以此为原料采用布里奇曼法生长出外观完整的尺寸为φ15mm×25mm的AgGa1-xInxSe2单晶锭(x=0.2).沿自然显露面对晶体进行了解理和X射线衍射分析,发现该面是(101)面.同时进行了红外透过率测试,其红外透过率为41;.     

AgGa1-xInxSe2晶体的生长习性研究

采用DTA对不同铟含量(x)的AgGa1-xInxSe2多晶熔化和结晶温度进行了测试.结果表明:随着x值的增加其过冷度增大.采用改进的垂直布里奇曼法和实时补温技术,对AgGa1-xInxSe2晶体生长过程中的结晶特性和生长温度场关系进行了研究,并对其结晶形态进行了观测.发现:随着晶体生长过程的进行,熔体结晶温度呈下降趋势,固-液界面发生移动;生长晶体表面存在外形规则、形状相同的半球状小孔,有取向一致的台阶反光面,小孔底部为{112}面.研究结果为大尺寸、高质量的AgGa1-xInxSe2单晶体生长奠定了基础,生长出了尺寸达20 mm×60 mm的完整AgGa1-xInxSe2单晶体.     

中远红外非线性光学晶体AgGaS2、AgGaSe2和AgGa1-xInxSe2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%。     

AgGa1-xInxSe2晶体退火改性研究

采用改进布里奇曼法生长出外观完整的AgGa1-xInxSe2(x=0.2)单晶锭,晶体的红外透过率低,不能直接用于红外非线性光学器件制备.采用TA公司生产的SDTQ-600热分析仪进行DSC-TGA测试,发现其熔点为826.69℃,结晶点为750.86℃,总失重约为3.9217;.采用同成份粉末源包裹晶体,在抽空封结后进行退火处理.退火处理后晶体的红外透过率有明显改善.在4000cm-1～7000cm-1范围内红外透过率由原先低于25;改进到高于40;;在750cm-1～4000cm-1范围的红外透过率由原先低于45;改善到超过50;,在2000cm-1 ～750cm-1区域甚至高达60;.结果表明:采用同成分粉末源包裹,在抽空封结后退火处理能有效提高AgGa1-xInxSe2晶体的红外透过率,改善晶体的光学均匀性,退火后的晶体适合红外非线性光学器件制备.     

AgGa1-xInxSe2晶体热处理研究

结合差示扫描量热曲线(DSC)和相图确定出热处理的温度范围.分别在真空和AgGa1-xInxSe2(x=0.2,0.6,0.8)多晶粉末包埋下,对ASGa0.4In0.6Se2晶体进行了热处理实验,分析了热处理对晶体性能的影响.结果表明:用x=0.6和0.8的多晶粉末包埋,在680℃下保温120 h后再淬火处理的晶片,其红外透过率在550～5500 cm-1波数范围内整体提高到65;以上,光学质量显著提高;EDX和XRD分析表明,采用AgGa0.2In0.8Se2多晶粉末包埋,能够补充晶片中的In缺失,成分更接近AgGa0.4In0.6Se2化学计量比,同时晶片结晶质量也得到明显改善.     

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.     

磷锗锌晶体器件定向加工研究

研究报道了坩埚下降法自发成核生长的ZnGeP2(ZGP)晶体光学器件定向加工新方法.即首先结合晶体的易解理面((112)面、(101)面)和标准极图以及X射线衍射仪,快速寻找c轴方向,确定晶体的(001)面;再由相位匹配角、方位角以及(101)和(102)晶面确定ZGP晶体的通光面,定向切割加工得到ZGP光参量振荡(OPO)器件初坯,经X射线衍射仪修正角度和后续抛光镀膜处理,制备出11 mm×11 mm×22 mm的ZGP-OPO器件.采用2.1μm、7 kHz激光泵浦ZGP-OPO,实现了3～5 μm中红外调谐激光输出,功率达0.48 W.此方法不仅适用于ZGP晶体的定向加工,也适用于具有类似结构的其他晶体器件定向加工.     

新型AgGa1-xInxSe2晶体用于CO2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-xInxSe2相位匹配角θ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.     

AgGa0.2In0.8Se2晶体小温度梯度生长与性质表征

利用单温区机械振荡法合成出高纯单相AgGa0.2In0.8Se2多晶,单次合成量超过400 g;DSC测试结果显示其熔点为782℃,结晶温度为771℃.利用坩埚下降法在小温度梯度(2℃/cm)下生长出尺寸为φ25 mm× 75 mm高品质无开裂AgGa0.2In0.8Se2单晶.解离面(112)面摇摆曲线半峰宽为0.056°.厚度为3 mm双面抛光的(112)面晶片在1.5～18 μm波段透过率为65.0; ～ 67.5;,表明所生长AgGa0.2In0.8Se2晶体具有较低的吸收系数,为0.01 ～0.1之间.     

硒铟镓银单晶体(112)面蚀坑形貌观察

研究出一种能在室温下对AgGa0.8In0.2Se2晶体(112)面进行择优腐蚀的新腐蚀液配方,提出了一种适合AgGa0.8In0.2Se2晶体择优腐蚀的新工艺。采用改进的Bridgman法生长出AgGa0.8In0.2Se2晶体,对晶体进行定向切割出(112)面晶片;然后对晶片进行研磨、机械抛光,使其表面平整无划痕;再将晶片用新腐蚀液,浓HNO3(65%～68%)∶浓HCl(35%～38%)=1∶2.5(体积比),在室温下腐蚀5min,同时进行超声振荡。采用金相显微镜对腐蚀后的晶片表面进行观察,发现清晰的蚀坑形貌,形状近似为正三角形,并对(112)面蚀坑的形成及其形貌成因进行了理论分析。     

CdSe晶体倍频光学参数及元件加工研究

对红外非线性光学晶体CdSe的倍频光学参数及其元件加工进行了研究.根据非线性光学原理和折射率色散关系,从理论上计算出CdSe晶体的有效非线性系数和倍频元件相位匹配角与基频光波长(5.5～10.0 μm)的调谐特性曲线,从实验上探索到一种通过解理试验和XRD定向测试,快速确定其光轴方向的晶体定向新方法.结果表明,CdSe晶体在Ⅱ类相位匹配条件下的有效非线性系数d_(eff)为d_(15)sinθ,倍频转换效率与方位角无关;在Ⅰ类相位匹配条件下其有效非线性系数d_(eff)恒等于0,无倍频输出.根据理论计算结果,运用定向新方法,针对VUVG法生长出的外观无方向特征的CdSe晶体,经定向切割、研磨和抛光,初步加工出基频波长为9.6 μm的CdSe晶体Ⅱ类相位匹配倍频元件, 尺寸达9.5 mm×9.5 mm×18 mm.     

大尺寸ZnGeP2单晶生长与大尺寸晶体器件制备

磷锗锌(ZnGeP2,ZGP)晶体是一种性能十分优异的中红外非线性光学材料.本研究采用自制的双温区管式炉成功合成出高纯ZGP多晶,单次合成量达到600 g;采用超微梯度水平冷凝法(0.5 ～1℃/cm)成功生长出55 mm×30 mm×160 mm的大尺寸ZGP单晶;通过工艺优化、定向、切割、退火、抛光和高能束流辐照等处理工艺,成功实现大口径(12 mm×12 mm ×50 mm) ZGP晶体器件制备,器件在2.09 μm的吸收系数仅为0.03 cm-1,可以用于大能量和高平均功率红外激光输出.     

非线性光学晶体K3B6O10Br的生长与光电性能研究

采用顶部籽晶溶液生长法成功生长出尺寸为42 mm×20 mm×18 mm的高光学质量的紫外非线性光学晶体K₃B₆O₁₀Br(KBB)。根据其结构对称性要求,将KBB晶体定向加工成不同的器件切型,系统表征其光电性能。对KBB晶体电弹常数进行了系统的表征,受微观结构影响,压电常数各向异性较大,最大的压电常数d₃₃=6.69 pC/N。KBB晶体具有良好的激光频率变换、电光及压电性能,在光电子领域显示出潜在的应用前景。     

间硝基苯胺晶体的定向生长及光学性能研究

采用过冷熔体定向约束生长方法生长了尺寸约为30×15×8 mm3的块状间硝基苯胺晶体,并对生长晶体的光学均匀性、光学透过率、二次谐波转换效率以及激光损伤阈值等性能进行了测试.结果表明:生长的间硝基苯胺晶体在500～1150 nm波段内的光学透过率均在92;以上;最高二次谐波转换效率达到69.6;;单点激光脉冲损伤阈值分别为19.8 GW/cm2(输入光波为1064 nm)和45.3 GW/cm2(输入光波为532 nm).采用过冷熔体定向约束生长的间硝基苯胺晶体适合用作Nd: YAG激光的二次倍频器件,也适于作500～1150 nm波段的光学调制器件.     

4-氨基二苯甲酮晶体的定向生长及光学性能研究

采用过冷熔体定向约束生长法生长了尺寸约为30 mm×14 mm×7 mm的块状4-氨基二苯甲酮晶体,并对生长晶体的光学均匀性、光学透过率、二次谐波转换效率以及激光损伤阈值等性能进行了测试.结果表明:定向生长的4-氨基二苯甲酮晶体在650~1200 nm波段内具有90;以上的光学透过率;最高二次谐波转换效率达到64.9;;单点激光脉冲损伤阈值分别为205.4 GW/cm2(输入光波为1064 nm)和267.2 GW/cm2(输入光波为532 nm).采用过冷熔体定向约束生长的4-氨基二苯甲酮晶体适合于用作Nd: YAG激光的二次倍频器件,也适合于用作650~1200 nm波段的光学调制器件.     

Zn1-xMgxZrNb2O8微波介质陶瓷的结构与性能研究

采用传统的固相反应合成法制备了Zn1-xMgx ZrNb2O8(x=0-0.4)微波介质陶瓷.研究了Mg2+的取代量x对Zn1-xMgxZrNb2O8陶瓷的烧结特性、物相组成、显微结构以及微波介电性能的影响.结果表明:Zn1-xMgxZrNb2O8陶瓷的烧结温度随着Mg2+取代量x的增加,略有提升;当x=0-0.3时,体系形成了单相的(Zn,Mg) ZrNb2O8固溶体,而当x=0.4时,体系除了形成(Zn,Mg) ZrNb2O8固溶体外,还有少量未知杂相生成;随着Mg2+的取代量的增加,Zn1-xMgxZrNb2O8陶瓷的微波介电性能呈现不同的变化规律.当x=0.2时,组分为Zn0.8Mg0.2ZrNb2O8的陶瓷在1230℃烧结4h,可获得较佳的微波介电性能:εr=27.55,Q ×f=58731 GHz,τf=-66.7×10-6/℃.     

新型红外非线性光学晶体SrCdGeSe4生长与性质表征

锶镉锗硒(SrCdGeSe4)晶体是近期被发现的一种性能优异的新型红外非线性光学材料.本研究采用自制的双温区管式炉成功合成出SrCdGeSe4多晶,单次合成量达到300 g;采用坩埚下降法首次生长出SrCdGeSe4单晶,尺寸为φ27 mm×80 mm;通过定向、切割和抛光等程序,得到几个不同尺寸的定向SrCdGeSe4晶片,选取一片8×8 ×2 mm3双面抛光(110)晶片测试了摇摆曲线、红外透过光谱和激光损伤阈值.结果 显示:(220)摇摆曲线半峰宽为44.8",该晶体的短波透过截止边为596 nm,且在1～ 14 μm波长范围内透过率超过68;;另外,晶体在Nd∶ YAG脉冲激光,脉宽5 ns,重复频率1 Hz,光斑直径0.15 mm测试条件下,激光损伤阈值为530 MW/cm2.     

大尺寸长波红外非线性晶体CdSe生长及应用

利用压力辅助法合成批量、高纯CdSe多晶原料,进行籽晶定向高压布里奇曼法生长,制备出φ(50 ～ 55) mm×(80 ～ 100) mm高品质单晶棒,加工出多相位匹配角度、多规格尺寸(6 ～8)2×(40 ～50) mm3晶体元件.元件在2.1 μm、2.6 μm、10.8 μm等多波段o、e偏振光测试下,吸收系数分别≤0.02 cm-1、≤0.02 cm-1、≤0.01 cm-1,通过光参量振荡实验,元件在10.1～10.8 μm波段实现1.05W长波红外激光输出.     

Nd3+∶Gd0.2Y0.8Al3(BO3)4激光晶体的研究

测定了Nd3+∶Gd 0.2Y0.8Al3(BO3)4-K2MO3O10-B2O3生长体系的生长温度曲线,生长出尺寸达32mm的Nd3+∶Gd0.2Y0.8Al3(BO3)4激光晶体,并从中切割出尺寸为4mm×5mm×6mm的优质激光器件,采用钛宝石模拟LD泵浦,在1.06μm处得到48mW的激光输出,激光阈值17mW,光-光转换效率为20%.