新疆理化所創(chuàng)制全波段相位匹配晶體

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】短波紫外全固態(tài)相干光源具有光子能量強、可實用化與精密化、光譜分辨率高等特點，在激光精密加工、信息通訊、前沿科學和航空航天領域頗具應用價值。獲得全固態(tài)短波紫外激光的核心部件是非線性光學晶體。
 

　　在非線性光學過程中，若使基頻光的能量源源不斷地轉換到倍頻光，需要保持基頻光激發(fā)的二次極化諧波和倍頻光在晶體中位置時刻相同，但由于晶體的本征色散導致基頻光和倍頻光的折射率不同，進而導致兩束光在晶體中群速度不同，無法實現(xiàn)倍頻光的持續(xù)增長，此為相位失配。
 

　　因此，在晶體中實現(xiàn)應用波段相位匹配被普遍認為是重要的技術挑戰(zhàn)，決定最終激光輸出的功率和效率。目前有多種技術方案可供選擇，如晶體各向異性的雙折射相位匹配技術、晶體內(nèi)部自發(fā)疇結構的隨機準相位匹配技術和人工微結構準相位匹配技術等。
 

　　其中，利用晶體各向異性的雙折射相位匹配技術是應用最廣泛的彌補相位失配的有效途徑。該技術利用各向異性晶體的雙折射特性，使一定偏振的基頻光沿晶體的特定方向入射，或者改變晶體的溫度，實現(xiàn)角度或者溫度相位匹配，即使基頻光和倍頻光在晶體中特定方向傳播時的折射率相同。該方案轉換效率高，但現(xiàn)有晶體均存在相位匹配波長損失，即可用晶體紫外截止邊和最短相片匹配波長的差值表征(λcutoff-λPM)。
 

　　中國科學院新疆理化技術研究所晶體材料研究中心致力于新型紫外、深紫外非線性光學晶體的設計與合成。該團隊前期基于領域前沿進展的研究和對非線性光學晶體雙折射相位匹配現(xiàn)狀的剖析，在特邀綜述中首次提出關于非線性光學晶體一種理想狀態(tài)的假設，即在基于雙折射相位匹配的非線性光學晶體中，是否可以實現(xiàn)“紫外截止邊等于最短匹配波長”的理想狀態(tài)？若該假設在晶體中得以實現(xiàn)，將為晶體在整個透過范圍內(nèi)均實現(xiàn)雙折射相位匹配提供新途徑和新思路。
 

　　近期，該團隊創(chuàng)制一類新非線性光學晶體即全波段相位匹配晶體。該類晶體基于應用廣泛的雙折射相位匹配技術，且可以實現(xiàn)對晶體材料透過范圍內(nèi)任意波長的相位匹配。該研究揭示了全波段相位匹配晶體的物理機制，從折射率的微觀表達及雙折射色散曲線、折射率色散曲線和相位匹配等光學條件等角度出發(fā)，給出兩種獨立的全波段相位匹配晶體的評價參數(shù)，并將此評價參數(shù)應用于一些經(jīng)典的非線性光學晶體材料，討論以此參數(shù)評估晶體相位匹配波長損失的可行性和普適性。
 

　　基于此，研究獲得一例非線性光學晶體(GFB)。實驗通過多級變頻的方案或光參量技術方案，研究晶體在整個透過范圍內(nèi)的直接倍頻輸出能力，并基于相位匹配器件已經(jīng)實現(xiàn)193.2-266 nm紫外/深紫外可調(diào)諧激光輸出，驗證其該晶體全波段相位匹配能力，使該晶體成為目前首例且唯一一例實現(xiàn)了全波段雙折射相位匹配的紫外/深紫外倍頻晶體材料。
 

　　該材料193.2 nm處晶體透過率<0.02%，依然可以實現(xiàn)倍頻激光輸出，驗證了其全波段相位匹配特性。該晶體具有優(yōu)異的線性和非線性光學性能，如短紫外截止邊(~193 nm)，大有效倍頻系數(shù)(deff = 1.42 pm/V)、短相位匹配波長(~194 nm)和高抗激光損傷閾值(>BBO@ 266/532 nm, 8 ns, 10 Hz)等，是頗具應用前景的266 nm激光用非線性光學晶體材料。
 

　　相關研究成果以全文形式發(fā)表在《自然·光子學》(Nature Photonics)上。研究工作得到科技部，國家自然科學基金委員會和中國科學院等的支持。