深紫外激光倍频晶体KBBF的减压过冷熔体定向生长研究

KBe2BO3F2(KBBF)是目前唯一能实现200nm以下激光倍频输出的晶体,该晶体对全固态高功率超短脉冲激光器的深紫外光输出具有广泛应用前景。但是, KBBF晶体层状生长习性明显,采用传统的熔盐法或水热法生长的晶体厚度较薄，无法按照相位匹配方向切割,不能直接实现六倍频相位匹配，限制了晶体性能的测试和应用研究。因此探索合适而高效的生长方法生长大尺寸、高质量KBBF单晶具有十分重要意义。. 本项目针对KBBF晶体首次提出减压过冷熔体定向生长方法。采用数值计算确定KBBF晶体的最佳相位匹配方向，通过二级减压处理降低化合物熔点，保证浅过冷状态下KBBF熔体不分解，植入籽晶并精确控制其位向使得籽晶在结晶器内沿最佳相位匹配方向实现快速定向生长，生长完成的晶体无须切割即可与结晶器一并用作非线性光学倍频器件。本项目研究旨在为推进KBBF晶体作为激光倍频器件的广泛应用提供一种高效、实用的生长方法。

针对KBBF晶体的熔盐法或水热法生长周期长、晶体厚度薄等缺点，本项目提出了一种减压过冷熔体定向生长方法。采用分级减压处理降低KBBF化合物熔点，保证熔体组分在适当的浅过冷状态下既不分解也不发生自发形核。植入籽晶并通过自制三维夹持器精确控制籽晶位向，使得籽晶在结晶器内沿晶体最佳相位匹配方向实现快速定向生长，生长完成后平行于结晶器石英片壁的两组显露晶面即为晶体具有最大谐波转换效率的优选晶面。晶体不需要按照相位匹配方向进行切割和加工即有望直接用作非线性光学倍频器件。. 依据申请书的研究内容，项目的完成情况及取得的研究成果如下：. 1、KBBF晶体的相位匹配数值计算。根据KBBF晶体的色散方程及非共线匹配的条件，采用FORTAN语言变精度数值计算方法，以1064nm波长入射为基频光计算了KBBF晶体第Ⅰ类非共线倍频相位匹配角。选择基准显露晶面，通过角度变换确定了二次谐波转换效率最大的优选晶面。计算结果表明与显露镜面{0001}成48.2°夹角的晶面即为最佳优选晶面。. 2、KBBF晶体原料的合成及压力对熔点的影响规律研究。采用四种不同化学合成方法制得KBBF原料，通过XRD物相分析和能谱分析等实验手段验证了KBBF原料的纯度。利用可实现自由控压和控温的自制晶体生长炉，通过改变压力和温度参数等系列实验获得了KBBF熔体组分既不分解也不自发形核的最佳压力和温度。. 3、KBBF晶体的减压过冷熔体生长习性和生长形态学研究。采用助溶剂法成功生长了KBBF籽晶，在自制生长炉内实验研究了减压条件小熔体的生长习性，结果表明熔体法生长能很大程度减轻晶体的片层状生长习性，晶体的显露晶面随着压力和温度的改变不发现明显变化。在72小时的生长周期内可生长出厚度达到5mm以上的完整晶体。. 4、KBBF晶体的减压过冷熔体定向约束生长。设计了可实现精确位向控制的籽晶夹持器。实验研究了过冷度、熔体补缩率等对晶体生长速度、晶体完整性以及显露晶面与结晶器石英片壁的生长贴合程度的影响规律。. 5、晶体的光学性能测量。选择厚度达到11mm的完整晶体进行了系列光学性能测试，结果表明减压过冷熔体生长的KBBF晶体的光截止波长最小为180nm，在200nm-2000nm波长范围内光透过率最高达到95%，谐波转换效率最高达到70%。