KDP-DKDP晶體非線性吸收與非線性折射性質(zhì)研究.pdf

1、KDP和DKDP晶體是一類擁有優(yōu)異性能的非線性光學晶體材料;因其優(yōu)越的壓電、電光和倍頻轉(zhuǎn)換性能而得到廣泛的關注和應用，例如聲納器件、倍頻轉(zhuǎn)換器件、電光轉(zhuǎn)化器件以及壓電換能器等。伴隨慣性約束核聚變(ICF)的發(fā)展，對強激光倍頻轉(zhuǎn)換晶體的要求越來越高;目前為止，KDP與DKDP晶體是唯一可以作為大尺寸倍頻轉(zhuǎn)換器件應用于ICF系統(tǒng)中。此外，在高功率激光條件下，DKDP晶體作為三倍頻器件可以降低或避免受激拉曼散射波的影響。盡管如此，在實際應用過

2、程中晶體損傷將引起激光倍頻轉(zhuǎn)換效率和使用周期的降低，成為限制ICF系統(tǒng)應用的重要因素。
　　KDP與DKDP晶體損傷是一個相對復雜的過程，其產(chǎn)生機理一直是關注的熱點;其中，非線性吸收和“自聚焦”效應是影響晶體應用的兩個關鍵因素。較高激光功率密度下，將可能引起晶體產(chǎn)生非線性吸收;非線性吸收的存在一方面將引起晶體轉(zhuǎn)換效率的降低，另一方面伴隨吸收程度的增加將降低晶格的穩(wěn)定性，產(chǎn)生激光誘導損傷。作為倍頻轉(zhuǎn)換器件，KDP和DKDP晶體在強光

3、場作用下將產(chǎn)生自相位調(diào)制(SPM)和交差相位調(diào)制(XPM)，這些現(xiàn)象可能引起相位失配、脈沖展寬以及降低倍頻轉(zhuǎn)換過程;另外，在激光誘導下晶體內(nèi)將產(chǎn)生“自聚焦”效應，引起晶體局部光強增大，導致晶體內(nèi)部損傷;而且SPM、XPM和“自聚焦”效應都與晶體的非線性折射率存在密切的聯(lián)系。目前對KDP和DKDP晶體非線性吸收和非線性折射的研究相對較少，全面了解其規(guī)律和特點是非常必要的，將有助于晶體的應用。
　　Z-scan是一種簡單而又準確的測量

4、材料非線性吸收以及非線性折射的方法;而且，此方法可以得到材料非線性吸收的類型、非線性折射率的符號以及計算非線性吸收系數(shù)、非線性折射率。本文將利用皮秒Z-scan技術對KDP和DKDP晶體的非線性吸收和非線性折射特點進行探索;主要從激光波長、光功率密度、晶體取向、氘含量變化以及晶體質(zhì)量等方面出發(fā)，探討晶體非線性吸收和非線性折射的主要影響因素以及變化規(guī)律，為晶體的應用提供參考。本論文的主要內(nèi)容如下:
　　1.利用傳統(tǒng)和快速水溶液生長法

5、生長了KDP、DKDP(氘含量為12％、70％和80％)和Fe3+離子摻雜KDP晶體;快速生長Ca2+和Na+離子摻雜KDP晶體。結(jié)果表明:傳統(tǒng)和快速生長法都能夠獲得高質(zhì)量的KDP和DKDP晶體，而對于離子摻雜KDP而言，在較低摻雜濃度下可以質(zhì)量相對較好的單晶，伴隨濃度的增加晶體質(zhì)量出現(xiàn)一定程度的降低，尤其是高價Fe3+離子的影響顯著;與傳統(tǒng)法相比，快速生長Fe3+離子摻雜KDP晶體更容易吸附金屬離子，而且Fe3+離子對柱面的影響大于錐

6、區(qū)。另外，對Z-scan技術原理、非線性吸收和非線性折射的理論計算過程進行了詳細的闡述。
　　2.采用皮秒Z-scan技術探索傳統(tǒng)和快速生長KDP晶體的非線性吸收和非線性折射特點，系統(tǒng)的研究了晶體取向、激光波長、激光功率密度和生長方式與晶體非線性吸收和非線性折射的特點。研究表明:KDP晶體在入=1064nm時未發(fā)現(xiàn)非線性吸收和非線性折射效應的產(chǎn)生，入=532nmKDP晶體展現(xiàn)出明顯的非線性吸收和非線性折射效應;入=532nm，相位

7、匹配方向（Ⅰ和Ⅱ類）具有相對小的非線性吸收和非線性折射效應，相反的z向（偏離相位匹配方向）非線性吸收和非線性折射效應較大;KDP晶體非線性折射率為正值，意味著“自聚焦”效應的產(chǎn)生，z向非線性吸收系數(shù)和非線性折射率大于Ⅰ、Ⅱ類晶片;KDP晶體的非線性吸收系數(shù)的數(shù)量級為10-11 cm/W～10-10cm/W，而非線性折射率數(shù)量級是10-13esu～10-12esu，因此其非線性折射效應是由電子云畸變引起的，與H2P04-基團的排布有關;非

8、線性吸收和非線性折射效應隨激光功率的增大而變大;由以上結(jié)果表明晶體取向、激光波長和激光功率密度是影響KDP晶體的非線性吸收和非線性折射的重要因素。
　　3.選取傳統(tǒng)和快速生長12％、70％和80％-DKDP作為研究對象，利用皮秒Z-scan技術對晶體的非線性吸收和非線性折射進行探索;從晶體取向、激光波長、激光功率密度、生長方式以及氘含量的變化等角度探索晶體非線性吸收和非線性折射的變化規(guī)律。研究表明:λ=1064nm條件下，DKDP

9、晶體無非線性吸收和非線性折射效應的存在，而晶體在波長λ=532nm時均表現(xiàn)出非線性吸收和非線性折射效應;Ⅰ和Ⅱ類晶片非線性吸收和非線性折射效應小于z向，即與晶體的取向相關，特別是H2P04-基團的排布方式;晶體的非線性折射率為正值，存在“自聚焦”效應;Ⅰ、Ⅱ類晶片非線性吸收系數(shù)和非線性折射率小于z向，而且非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的數(shù)量級分別為10-11cm/W～10-10cm/W和10-13esu～10-12esu;隨激光功率密度的

10、增大非線性吸收和非線性折射效應而變大;另外，DKDP晶體的非線性吸收和非線性折射性質(zhì)與晶體內(nèi)氘含量的變化有關，即與晶體內(nèi)氫鍵和氘鍵相關;傳統(tǒng)和快速生長法晶體非線性折射存在一定的差異性。
　　4.選取Fe3+和Na+離子作為摻雜劑，探索晶體質(zhì)量對KDP晶體的非線性吸收和非線性折射效應的影響。首先，F(xiàn)e3+離子對KDP晶體的非線性吸收和非線性折射效應影響顯著，并且對Ⅱ類晶片的影響大于z向;Ⅱ類和z向晶片非線性吸收與非線性折射效應隨Fe