中國科學院福建物質結構研究所生長出有望獲得深紫外激光的英寸級晶體

深紫外（波長<200 nm）非線性光學晶體(ti) 在高精度光刻、深空通信、超高分辨能譜儀(yi) 、寬波段光譜儀(yi) 等高技術領域具有重要應用。相位匹配是非線性光學晶體(ti) 實現高效轉換的必要條件，傳(chuan) 統的非線性光學晶體(ti) 通常基於(yu) 雙折射原理實現相位匹配。然而在深紫外波段，大量非線性光學晶體(ti) 由於(yu) 過小的雙折射率而難以實現雙折射相位匹配。準相位匹配技術通過在晶體(ti) 中構建非線性係數周期反轉的結構，使能量不斷由基頻光流向倍頻光，從(cong) 而實現倍頻光的高效輸出。與(yu) 雙折射相位匹配相比，該技術具有不依賴材料雙折射率、匹配波段寬、可以利用材料的最大非線性係數等優(you) 點，是在深紫外波段實現相幹光高效輸出的有效方法。然而，目前適用於(yu) 深紫外波段準相位匹配輸出的非線性光學晶體(ti) 仍然非常稀少。

中國科學院福建物質結構研究所趙三根研究員等在水溶液中成功生長了英寸級透明LiNH₄SO₄單晶。電滯回線和變溫非線性光學測試等證實LiNH₄SO₄晶體(ti) 具有鐵電性。通過施加單向極化電壓，成功獲得了LiNH₄SO₄的單疇化樣品。LiNH₄SO₄晶體(ti) 的透光範圍可到極短的171 nm，具有適中的二階非線性光學係數（0.33 pm/V）,且可承受最高達1.47GW/cm^-2的激光照射而不損壞。通過最小偏向角法精確測定了LiNH₄SO₄的波長依賴折射率並擬合了其色散方程，結果表明LiNH₄SO₄具有極低的折射率色散，使得該晶體(ti) 在倍頻光波長177.3 nm處的一階準相位匹配周期達1.4 μm，表明有望采用現有極化工藝加工其準相位匹配倍頻器件來直接得到深紫外激光。以上結果說明了LiNH₄SO₄是深紫外激光變頻的有力候選材料。第一性原理計算的結果表明LiNH₄SO₄的非線性光學響應和寬透光範圍主要源自於(yu) SO₄^2-四麵體(ti) 基元的貢獻，而其較低的折射率色散則主要是由於(yu) LiNH₄SO₄晶體(ti) 中Li⁺、NH₄⁺陽離子和SO₄^2-基元電子的的高度局域性。這一發現為(wei) 發展深紫外準相位匹配非線性光學晶體(ti) 提供了一條有效途徑。

該成果發表在Advanced Functional Materials，題為(wei) A Ferroelectric Nonlinear Optical Crystal for Deep-UV Quasi-Phase-Matching。中國科學院大學博士研究生宋一鵬為(wei) 論文的第一作者，福建物構所李丙軒副研究員為(wei) 論文的共同通訊作者。

圖1 (a) 雙折射相位匹配和準相位匹配對比示意圖；(b) LiNH₄SO₄晶體(ti) 鐵電相；(c) 順電相晶體(ti) 結構示意圖

圖2 (a) [011]方向 (b) [001]方向籽晶生長的LiNH₄SO₄晶體(ti) ；(c) LiNH₄SO₄晶體(ti) 變溫非線性光學測試；(d) 變溫非線性光學循環測試；(e) LiNH₄SO₄晶體(ti) 413K下P-E和J-E曲線；(g) LiNH₄SO₄晶體(ti) 180°鐵電疇圖像；(h) 單疇化的LiNH₄SO₄晶體(ti)

圖3 (a) LiNH₄SO₄晶體(ti) 深紫外透過光譜；(b) LiNH₄SO₄晶體(ti) Maker條紋；(c) LiNH₄SO₄晶體(ti) 被納秒激光損傷(shang) (d)前(e)後的光學顯微圖像；用於(yu) LiNH₄SO₄折射率的三角棱鏡(e) (100)方向通光；(f) (001)方向通光；(g) LiNH₄SO₄晶體(ti) 折射率色散方程；(h) LiNH₄SO₄晶體(ti) 532 nm處光率體(ti)