红外非线性光学晶体表面缺陷和光损伤的STM研究

Laser-induced damage of infrared nonlinear optical crystals has been a key problem for the development of solid state lasers. The enhancement of laser-induced damage threshold of nonlinear optical crystals is a challenge task for materials scientists and engineers. It was reported that their damage threshold under an ultrafast laser was heavily weakened by the defects in the surface and subsurface. Up to now, most of studies focused on the defects at macroscale for the limitation of experimental tools. In this work, we will study the atomic structure and the electronic structure of the defects in the surface and subsurface of infrared nonlinear optical crystals with the chalcopyrite structure by scanning tunneling microscope (STM). Then, the annealing under various vapors and at different temperatures will be attempted to decrease and remove these defects. Finally, the surface will be checked after the radiation from an ultrafast laser, and atomic STM images will be obtained and density of state mapping will be performed. The above measurements under laser radiation will be repeated under series of increasing incident power. With the combination of theoretical calculations, the model for the initial stage of laser-induce damage will be built. Based on this model, the mechanism for laser-induced damage under an ultrafast laser will be proposed. The mechanism at nanoscale will give a good comprehension about the laser-induced damage process and help to improve the laser-induced damage threshold of infrared nonlinear optical crystals.

如何提高光损伤阈值是红外非线性光学晶体研究的一个重要课题，已成为制约红外全固态激光器发展的瓶颈。已有报道表明在超快激光下的光损伤与晶体元件缺陷有关，特别是与表面和亚表面缺陷相关。目前主要利用光学显微镜、X射线衍射和电子顺磁共振等宏观分析手段来研究缺陷，关于缺陷原子结构和光损伤初始过程的研究鲜有报道。本项目计划通过扫描隧道显微镜研究黄铜矿型红外非线性光学晶体缺陷的原子结构和电子能带结构，并探索退火条件对缺陷的原子结构、电子能带结构和缺陷浓度的影响，在此基础上研究不同能量超快激光辐照后晶体表面的缺陷结构和浓度变化，在纳米尺度探明晶体表面缺陷从无到有，从少到多的过程。将实验结果与理论计算相结合，建立超快激光辐照下晶体光损伤的物理模型，在纳米尺度提出其光损伤初始过程的微观物理机制，为理解和提高红外非线性光学晶体材料的光损伤阈值提供重要的参考依据。

随着高功率红外激光器及其相关应用的发展，如何提高激光损伤阈值是红外非线性光学晶体研究的一个重要课题，已成为制约红外全固态激光器发展的瓶颈。已有报道表明在超快激光下的光损伤与晶体元件缺陷有关，特别是与表面和亚表面缺陷相关。前期工作主要利用光学显微镜、X射线衍射和电子顺磁共振等宏观分析手段来研究晶体缺陷，关于其缺陷原子结构和光损伤动态过程的研究鲜有报道。本项目通过STEM、Raman，PL，SEM，XPS和原位超快瞬态光谱研究了红外非线性光学晶体GaSe、ZnGeP2、CdS以及CdSe的缺陷极其在高能量超快激光辐照下的光损伤行为。通过STEM得到了ZnGeP2晶体缺陷的原子结构，并通过低温光谱构建了其缺陷的能级图以及光致激发下能级跃迁图。本项目所有研究实验表明，红外非线性光学晶体在超快激光辐照下的损伤过程主要发生在晶体表面，根据辐照通量的不同，其激光损伤为两个完全不同的过程。在辐照通量为损伤阈值以上的激光辐照过程中，当辐照通量较小时，飞秒激光主要通过光化学反应使得红外非线性光学晶体发生分解和相变，但是其表面形貌变化不大；当辐照通量远大于损伤阈值时，大量基态的束缚电子通过多光子电离和雪崩电离进入导带中而产生大量热自由电子，进而形成等离子体。等离子体加热表面并形成冲击波，通过气化去除晶体的表层，并在表面上形成损伤坑。我们的结果深入理解了高能量飞秒激光辐照下红外非线性光学晶体的损伤动力学过程，在此基础上建立超快激光辐照下晶体光损伤的物理模型，在微观尺度提出其光损伤动态过程的微观物理机制，为理解和提高红外非线性光学晶体材料的光损伤阈值提供重要的参考依据。此外，我们发现，在较低辐照通量的飞秒激光辐照ZnGeP2晶体时，可以大幅提高其光损伤阈值，可能会对其应用有着较大的帮助。在获得上述成果的基础上，培养了相关领域的博士研究生2名，硕士研究生4名，并且发表了标注文章9篇，专利1篇。