新型硅酸镓镧族晶体探索及其中红外非线性光学性能研究

论文摘要

上世纪60年代,美国人Maiman制作了世界上第一台激光器,之后,美国Michigan大学的P.A.Franken等人首次将红宝石激光直接作用于石英晶体上,观察到了倍频辐射,Bloembergen等人从理论上分析了非线性光参量产生的原理。自此,非线性光学开始诞生,并在人类社会中扮演着越来越重要的角色。一类优秀的非线性光学材料对于激光频率转换及高功率激光产生具有非常重要的意义。目前常用的中红外光学晶体是以ZnGeP2（ZGP）为代表的半导体晶体,然而它们的激光损伤阈值都较低,这使得在大功率激光器方面的应用受到了一定的限制。因此,目前非线性光学材料领域的热点和难点之一就是探索应用于高功率激光,具有优异性能的新型中红外非线性光学晶体材料。硅酸镓镧族晶体是一类在光电应用中有多种应用的功能晶体,例如压电转换器,电光Q开关以及表面声波器件等。无中心对称的结构决定该类晶体具有具有电光、压电、非线性光学等一系列效应,同时其氧化物特性决定该类晶体的激光损伤阈值高,而其组分构成决定该类晶体的声子能量较小,透过范围较宽,可能在中红外高功率激光方面有重要的应用。本论文中我们选定硅酸镓镧族晶体为研究对象,以第一性原理计算了硅酸镓镧体系结构中非线性光学效应的机理,并在阴离子基团理论指导下,以实空间原子切割技术得到了硅酸镓镧体系的结构-性能关系图,以量化了每种阴离子基团对总倍频系数的相应贡献。基于此关系图,结合价键模型和合理的分子设计,我们提出了几种特殊的原子取代策略,并通过理论计算挑选出了一种特殊的取代方式,即八面体Sn4+取代Ga3+/Nb5+,尝试扩展材料的红外吸收边,增强其非线性光学效应。至此,我们在理论上预测了新化合物La3SnGa5O14（LGSn）,并且通过高温固相反应成功地合成该化合物并生长了单晶。在表征了其热学和光学特性后,我们发现该晶体拥有高光损伤阈值、宽透过光谱、大有效非线性系数且可用于成熟的1μm激光泵浦,是优秀的非线性光学材料。主要研究内容如下:一、引言本章主要简介了非线性光学效应的基本知识与基础理论,然后对近年来可见到红外波段的无机非线性光学材料的研究进行了总结。主要针对硅酸镓镧体系,研究了其化学结构、光学性能以及具有代表性的光学应用。在这些基础上简述了本论文的设计思想和主要研究工作。二、理论计算首先我们使用第一性原理计算研究了已经硅酸镓镧族中非线性光学效应的机理;然后根据阴离子基团理论,利用实空间原子切割技术,构建结构-组成-性质图,以量化每种阴离子基团对总倍频系数的贡献。基于硅酸镓镧体系的晶体结构以及理论计算,我们将Nd和Pr分别引入LGN中,以改变其晶体结构中十二面体中的元素占位,设计合成了化合物Nd3Ga5.5Nb0.5O14,Pr3Ga5.5 Nb0.5O14;随后将具有更大原子半径以及原子质量的Sn引入LGS中来替代其八面体结构,设计合成了 La3Ga5SnO14。三、多晶材料的合成与晶体生长1、通过高温固相反应得到了三种元素调控后的纯相多晶料Nd3Ga5.5Nb0.5O14,Pr3Ga5.5Nb0.5O14,La3Ga5SnO14。2、通过自发结晶得到LGSn晶体,并加工得到了一片尺寸为6×10×0.02 mm3的LGSn晶体薄片。四、基本物理性质1、通过X射线衍射分析三种多晶料Nd3Ga5.5Nb0.5O14,Pr3Ga5.5Nb0.5O14,La3Ga5SnO14的X射线衍射谱,由于衍射峰的位置与标准卡片一致,说明得到的三种样品是纯相。2、以AgGaS2和LGN为参考,我们分别对Nd3Ga5.5Nb0.5O14,Pr3Ga5.5Nb0.5O14,La3Ga5SnO14三种样品进行了粉末倍频测试,并对La3Ga5Sn014进行了二阶非线性性能测试,实验表明LGSn在1064nm波段的倍频是非相位匹配,而在2090nm激光泵浦下倍频强度随着粒径的增加而增加,表明其在该波段相位匹配。3、我们在室温下测试并通过Kubelka-Munk方程得到了 La3Ga5SnO14晶体薄片的透射光谱,确定了化合物La3Ga5SnO14在氧化物中具有最宽的透过范围（0.27-11.0 um）。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   §1.1 引言
•   §1.2 非线性光学效应
•   §1.3 常见的非线性光学晶体材料
•     §1.3.1 可见到紫外区非线性光学晶体
•     §1.3.2 可见到近红外区非线性光学晶体
•     §1.3.3 中红外区非线性光学晶体
•   §1.4 硅酸镓镧体系
•   §1.5 硅酸镓镧体系光学应用
•     §1.5.1 旋光应用
•     §1.5.2 电光应用
•     §1.5.3 非线性光学应用
•   §1.6 理论指导思想
•     §1.6.1 非线性光学晶体应具备的性质
•     §1.6.2 非线性光学效应经典理论模型
•   §1.7 本论文的主要研究工作
•   参考文献
• 第二章 硅酸镓镧族非线性光学晶体的设计与选择
•   §2.1 引言
•   §2.2 第一性原理计算
•   §2.3 实空间原子切割方法
•   §2.4 柔性因子的计算
•   §2.5 本章小结
•   参考文献
• 第三章 硅酸镓镧族非线性光学晶体的合成与生长
•   §3.1 引言
•   §3.2 硅酸镓镧族材料的结构优化
•     §3.2.1 十二面体结构优化
•     §3.2.2 八面体结构优化
•   §3.3 晶体生长
•   §3.4 本章小结
•   参考文献
• 第四章 基本物理性质
•   §4.1 引言
•   §4.2 XRD
•   §4.3 光学性质
•     §4.3.1 粉末倍频实验
•     §4.3.2 二阶非线性性能测试
•   §4.4 拉曼光谱
•   §4.5 透过光谱
•   §4.6 本章小结
•   参考文献
• 第五章 总结与展望
•   §5.1 主要工作
•   §5.2 主要创新点
•   §5.3 有待进一步开展的工作
• 攻读硕士学位期间发表论文情况
• 攻读硕士学位期间所获奖励情况
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 兰海潮

导师: 于浩海,张怀金

关键词: 分子设计,非线性光学晶体,倍频效应,透过区间

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,化学

单位: 山东大学

分类号: O734

总页数: 68

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