鈦酸鋇鈣晶體生長、性質(zhì)表征及三維準(zhǔn)相位匹配性能研究.pdf

1、自激光誕生以來，非線性光學(xué)頻率變換技術(shù)一直受到廣泛關(guān)注，該技術(shù)利用晶體在強光場下的非線性極化，以拓展激光波段，獲得不同頻率的相干光源。常用于光學(xué)頻率變換的二階非線性光學(xué)過程主要包括:光學(xué)倍頻、和頻、差頻、參量放大與振蕩等，這些過程中的能量轉(zhuǎn)換效率取決于相互作用光波間的相位關(guān)系，高效轉(zhuǎn)換要求相互作用過程滿足動量守恒——即相位匹配。然而，由于材料的色散特性，光波間往往存在相位差，導(dǎo)致相位匹配難以實現(xiàn)。為解決這一問題，目前有兩種常用方法，一是

2、利用非線性光學(xué)晶體的自然雙折射效應(yīng)實現(xiàn)的雙折射相位匹配，二是依靠材料二階非線性系數(shù)的周期性調(diào)制獲得的準(zhǔn)相位匹配。準(zhǔn)相位匹配技術(shù)由諾貝爾獎獲得者Bloembergen等人于1962年提出，它巧妙地將周期結(jié)構(gòu)的倒格矢引入頻域內(nèi)實現(xiàn)相位匹配過程，使相位匹配條件變得更加靈活，也可同時實現(xiàn)多波長相位匹配，目前已在光學(xué)頻率變換、脈沖光波調(diào)制、太赫茲波產(chǎn)生、糾纏光子產(chǎn)生等領(lǐng)域得到廣泛研究與初步應(yīng)用。
　　準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的關(guān)鍵是獲取合適的周期或準(zhǔn)

3、周期結(jié)構(gòu)，通常以操控鐵電晶體中的鐵電疇來實現(xiàn)。鐵電晶體中存在反向平行的鐵電疇，疇壁兩側(cè)的二階非線性系數(shù)符號相反，因此其周期/準(zhǔn)周期排列可實現(xiàn)對二階非線性系數(shù)的相應(yīng)調(diào)制。隨著上世紀(jì)90年代以來電場極化疇操控技術(shù)的進步，準(zhǔn)相位匹配技術(shù)得到了長足發(fā)展，特別是南京大學(xué)所制備的一維周期、準(zhǔn)周期等疇結(jié)構(gòu)組成光學(xué)超晶格實現(xiàn)了多種準(zhǔn)相位匹配過程，發(fā)展了準(zhǔn)相位匹配理論，發(fā)現(xiàn)了一系列新穎的物理現(xiàn)象，并已在“三基色”激光產(chǎn)生、光學(xué)“芯片”等方面獲得實用。近年

4、來，隨著疇操控技術(shù)的不斷進步，二維準(zhǔn)相位匹配鐵電晶體及相關(guān)器件迅速發(fā)展，其增加的調(diào)制自由度在多波長、多方向相位匹配方面展現(xiàn)出獨特魅力，加深了人們對準(zhǔn)相位匹配乃至非線性光學(xué)的認(rèn)識。然而，三維準(zhǔn)相位匹配對疇操控技術(shù)的要求更高，但相關(guān)研究目前僅存在于有限的理論探索層面。本論文面向準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，集中于三維鐵電疇結(jié)構(gòu)的制備和三維準(zhǔn)相位匹配過程的實驗研究。以提拉法生長了具有天然三維堆垛鐵電疇結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇鈣(BCT)晶體，表征了基礎(chǔ)物理性

5、質(zhì)，注重觀察了三維自發(fā)疇結(jié)構(gòu)的分布，計算了其三維倒格矢和可能實現(xiàn)準(zhǔn)相位匹配的波長范圍與條件;以該晶體作為非線性光學(xué)介質(zhì)，利用其三維正交倒格矢，獲得了寬波段三維準(zhǔn)相位匹配過程;以飛秒激光直寫疇加工技術(shù)在BCT晶體中通過近紅外激光掃描加工了可控的三維鐵電疇結(jié)構(gòu)，構(gòu)成三維非線性光子晶體，實現(xiàn)了三維準(zhǔn)相位匹配，并在理論上細(xì)致分析了光波與倒格矢間的相互作用過程。主要工作如下:
　　1.鈦酸鋇鈣晶體生長及性能測試
　　BCT晶體在室溫下

6、為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電體，屬四方晶系。自然生長的BCT晶體具有沿三個結(jié)晶學(xué)主軸分布的反向平行鐵電疇，可提供三維倒格矢以實現(xiàn)三維準(zhǔn)相位匹配，因此在準(zhǔn)相位匹配領(lǐng)域有重要研究價值。與經(jīng)典鈣鈦礦鐵電體-鈦酸鋇相比，BCT晶體的相變特性隨Ca含量的增加而變化，當(dāng)Ca含量達到0.23時，其室溫附近的正交-四方相交消失，與此同時居里點（四方-立方相變點）幾乎不變，從而使BCT晶體的四方鐵電相能夠在更大的溫度區(qū)間內(nèi)保持穩(wěn)定，可避免溫度接近相變點時的疇壁運動對

7、光學(xué)現(xiàn)象的影響。因此相較鈦酸鋇晶體，BCT晶體在三維準(zhǔn)相位匹配領(lǐng)域更具研究意義。
　　為獲得不同組分的BCT晶體，通常需要合成不同配比的多晶原料，導(dǎo)致生長周期較長且經(jīng)濟效益不高。本工作中我們分別在空氣和氮氣氣氛下生長了BCT晶體，通過控制生長氣氛中的氧含量調(diào)控了晶體中的氧空位濃度，并利用Ba、Ca離子與氧離子親和力的不同，由同種多晶料分別獲得了Ca含量為0.189和0.225的BCT晶體;對不同氣氛下所生長晶體的鈦離子價態(tài)、晶格結(jié)

8、構(gòu)、熱學(xué)和介電性能進行測試，分析了生長氣氛對晶體物理性質(zhì)的影響;最后通過測試兩種晶體的透過光譜，發(fā)現(xiàn)空氣中生長的BCT晶體在可見-近紅外波段透過率較高，適合用于三維準(zhǔn)相位匹配相關(guān)研究。
　　2.鈦酸鋇鈣晶體中自發(fā)疇調(diào)制的三維準(zhǔn)相位匹配
　　疇結(jié)構(gòu)的分布決定了鐵電晶體的準(zhǔn)相位匹配性能，本工作中我們對不同切向的BCT晶體的表面進行化學(xué)腐蝕，并在掃描電子顯微鏡下進行了觀察，展示了沿三個結(jié)晶學(xué)主軸（四方晶系中，光學(xué)主軸與之重合）分布

9、的隨機鐵電疇結(jié)構(gòu)，根據(jù)疇寬度的分布情況計算了所能提供的三維倒格矢;利用可調(diào)諧紅外基頻光（900-1250nm）進行倍頻實驗，獲得了寬波段“十字”形狀倍頻光斑，結(jié)合自發(fā)疇結(jié)構(gòu)的分布對倍頻過程進行分析，得知三維倒格矢同時參與了相位匹配過程，即實現(xiàn)三維準(zhǔn)相位匹配，并在理論上重建了準(zhǔn)相位匹配過程;測量了倍頻光斑發(fā)散角隨波長的色散變化趨勢，與計算結(jié)果符合良好;對倍頻光功率隨基頻光功率的變化關(guān)系進行了測量與二次擬合，證明BCT晶體中的倍頻現(xiàn)象來自二

10、階非線性光學(xué)過程;研究了倍頻光與基頻光偏振態(tài)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了非線性過程中的對稱破缺現(xiàn)象，并通過計算三維堆垛疇結(jié)構(gòu)調(diào)制的有效非線性系數(shù)對該現(xiàn)象進行了分析。
　　3.飛秒激光加工三維鐵電疇結(jié)構(gòu)及三維準(zhǔn)相位匹配
　　飛秒激光疇加工技術(shù)具有靈活、快捷、精度高、操作簡便等特點。我們利用近紅外飛秒激光在BCT晶體中加工了三維鐵電疇結(jié)構(gòu)，構(gòu)成三維非線性光子晶體，其能夠提供豐富的三維倒格矢，可在空間任意方向?qū)ο辔皇溥M行補償;利用切倫科夫

11、二次諧波顯微鏡對所加工的疇結(jié)構(gòu)進行表征，證明了其三維分布特性，并發(fā)現(xiàn)了疇壁的θ形結(jié)構(gòu)特點;參考相關(guān)全光極化理論，推測了BCT晶體中三維疇結(jié)構(gòu)的極化機理;利用不同周期的簡單四方鐵電疇結(jié)構(gòu)進行準(zhǔn)相位匹配倍頻實驗，得到了眾多倍頻點組成的倍頻光斑;結(jié)合三維疇結(jié)構(gòu)的特點對準(zhǔn)相位匹配過程進行分析，發(fā)現(xiàn)在三維倒格矢的參與下實現(xiàn)了復(fù)雜的三維準(zhǔn)相位匹配過程，同時存在有相位失配的拉曼-尼斯倍頻過程，詳細(xì)討論了每個倍頻點的相位匹配機制，并通過對疇結(jié)構(gòu)的傅里葉