新型红外非线性光学晶体BaGa4Se7的生长和性能研究

性能优良的红外非线性光学晶体将能极大地推动红外激光在军事和民用领域的广泛应用。 BaGa4Se7是由本项目第一申请人发现并且确定结构的一种新型红外非线性光学晶体。该晶体能带带隙（2.64 eV）与AgGaS2相当， 粉末倍频效应为AgGaS2的2-3倍，中红外透过波段比AgGaS2更宽, 结构稳定，并且是同成分熔融，有望成为一种新型的综合性能优良的红外非线性光学晶体。 .本项目主要是探索BaGa4Se7晶体生长工艺条件，生长出可供光学性能测试的高光学质量BaGa4Se7单晶，测试新晶体基本的线性和非线性光学性能和其它物化性能，研究晶体结构与非线性光学性能的关系，评估新晶体的应用前景。.BaGa4Se7晶体属我国首创，我们拥有该晶体的自主知识产权，在国际竞争中处于明显优势。对它的深入研究，将有利于提高我国在红外非线性光学晶体研究方面的国际地位。

BaGa4Se7是项目申请人发现的一种新型红外非线性光学晶体，属单斜晶系，Pc空间群。其晶体结构中GaSe4四面体相互连接成三维网络，Ba2+ 离子位于网络空隙；晶体中微观非线性光学效应基团GaSe4四面体的堆积密度大，而且排列一致，使之具有较大的非线性光学效应。. 在项目的资助下，我们掌握了高纯BaGa4Se7多晶原料的合成方法和BaGa4Se7晶体的坩埚下降法生长工艺 （坩埚形状、温场、下降速度等）， 获得了φ20 x 30 mm 的外形完整的质量较好的晶体，并详细测试新晶体基本的线性和非线性光学性能和其它物化性能。包括：①测量了晶体线性光学性质如折射率和透过光谱，获得了晶体折射率的色散方程。根据其折射率色散方程和透光范围，BaGa4Se7可以实现1μm光源泵浦的OPO、OPA激光输出和对重要的红外光源如CO2激光器的直接倍频，而且其在1-14μm范围都具有较高的透过率，适用范围覆盖了“3-5μm”和“8-12μm”这两个重要的大气透明窗口。②用Maker条纹法测试出BaGa4Se7主要的二阶非线性光学系数为d11=27 pm/V, d13=21 pm/V，证明其具有较大的非线性光学效应。 ③在测试条件为波长1064nm、脉宽5ns，频率1Hz，光斑直径0.4mm时，BaGa4Se7的激光损伤阈值为557 MW/cm2， 约是同测试条件下AgGaS2的4倍。④测量了沿三个结晶学轴方向的热膨胀系数和的热扩散/热传导系数，表明其热膨胀的各向异性比AgGaS2小很多，有利于晶体生长。.　 在测试这些基本物化性能后，我们已首次研制出采用30ps，1064 nm Nd:YAG激光泵浦BaGa4Se7晶体的高效率、高峰值功率的中红外光参量放大器。在1.8mJ的泵浦能量下，1064nm 泵浦光到3.9µm 闲频光的光子转换效率高达56%。当泵浦能量为9.1mJ时，峰值功率达27 MW。此外，还实现了3-5 µm的闲频光的调谐输出。. 这些结果表明BaGa4Se7可望成为一种可适用于中远红外激光变频的综合性能优良的新一代非线性光学晶体材料。BaGa4Se7晶体属我国首创，已经获得专利授权，在国际竞争中处于明显优势。