[发明专利]非线性光学晶体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种非线性光学晶体及其制备方法。

背景技术

人类面临着严峻的能源问题，核聚变能作为一种取之不尽、没有污染的清洁能源，是人类理想的新能源。光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）技术是作为惯性约束核聚变优选的快点火激光系统技术，需要高质量、大口径的晶体频率器件。YCOB（YCa₄O(BO₃)₃）晶体具有良好的非线性光学性能，同时可以制备出大尺寸高质量的晶体，已被报道用于OPCPA系统的光参量放大(OPA)装置中作为高功率频率转化用材料，有望取代传统的KDP、LBO、BBO等晶体以获得更高峰值和平均能量的输出。

YCOB晶体属于非中心对称的单斜晶系，m点群，Cm空间群。在该晶体结构中，存在两种不同的Ca离子(Ca(l)和Ca(2))格位，与周围的六个氧形成畸变的八面体，八面体与周围具有三角构型的BO₃基团通过共用角顶相连，形成三维网络结构。与Ca一样，三配位的硼也有B(l)和B(2)的两种格位。稀土离子Y³⁺位于结晶学晶胞的小面上，与周围的六个氧形成畸变八面体结构。Y³⁺离子所在格位很容易被其他稀土离子取代而不改变晶体结构，稀土掺杂的YCOB晶体（掺杂稀土离子与钇离子相近）同样具有优良的非线性光学性能。

激光在非线性光学晶体介质中的放大即光参量放大(OPA)技术是一种基于二阶非线性效应的放大过程，是将一个强的泵浦光（ω₁）和一个弱的信号光（ω₂）同时入射到非线性晶体中，它们在满足一定的相位匹配的条件下，相互耦合产生一个闲频光（ω₃），使得弱的信号光在此过程中得到放大，三者频率关系为ω₁=ω₂+ω₃。对OPCPA中光参量放大系统的闲频光进行吸收，抑制闲频光的逆转化，可提高泵浦光的转化率，获得更强的信号光，从而提高OPCPA系统的转化效率。

YCOB晶体虽然在400nm至2400nm波段具有很高的透过率，但其不能很好地吸收特定波段的闲频光，在OPCPA系统的转化和放大效率较低，还无法应用于激光非线性光学器件中。

发明内容

因此，本发明的目的针对现有技术中YCOB晶体不能很好地吸收特定波段的闲频光，在OPCPA系统的转化和放大效率较低的技术问题，提供一种新的非线性光学晶体及其制备方法。本发明通过在YCOB晶体中掺入特定离子，调控晶体的吸收性能，吸收特定波段的闲频光，以提高YCOB晶体为频率转化元件的OPCPA系统的转化效率。

本发明的非线性光学晶体，具有与YCa₄O(BO₃)₃晶体相同的晶体结构，属Cm空间群，m点群，本发明所述的非线性光学晶体具体为钐钇钙氧硼酸盐晶体，化学式为Sm_xY_1-xCa₄O(BO₃)₃，简称SYCOB晶体，其中，0＜x＜1，优选地，0.05≤x≤0.95，更优选地，0.3≤x≤0.95，进一步优选地，0.5≤x≤0.75。本发明的SYCOB晶体通过Sm³⁺取代YCOB晶体中的Y³⁺离子格位，而不改变YCOB晶体原有的结构，保证了晶体同样具有良好的非线性光学性能。

在本发明中，当x=0.3时，所述钐钇钙氧硼酸盐晶体在（31°,180°）相位匹配方向上的吸收系数为1.81cm^-1。与YCOB晶体相比较，钐钇钙氧硼酸盐晶体在非线性光学性能不受太大影响的情况下，使得该晶体同时具备了对特定波长激光一定的吸收性能。