真空紫外氟化物晶体BaMgF4的非线性光学性质研究

摘要

目前,社会上对紫外激光尤其是对真空紫外激光的需求是越来越大,(紫外光是指波长200—400纳米,真空紫外光是指波长100—200纳米),原因是由于它在高分辨率光谱学、微纳加工、紫外光刻和医药合成等领域都有非常大的潜在应用。和传统的准分子激光器相比,利用非线性光学晶体进行频率转换的紫外或者是真空紫外全固态激光器呈现出了极大的优势。它简单稳定、带宽窄、光束质量高,且可以在紫外和真空紫外连续可调,因此寻找一种适合的能够输出真空紫外相干辐射的非线性光学晶体成了全世界科学家们关注和研究的热点。而近来BaMgF4晶体被认为是最具应用潜力的候选者之一,因为它具有极短的紫外截止波长(125nm),且可以用于准位相匹配(QPM),因此可通过QPM的方法来实现真空紫外频率转换。介于此,本文对BaMgF4晶体的非线性光学性质进行了系统的研究。
　　第一,我们对BaMgF4晶体的二阶非线性光学性质进行了研究。采用Maker条纹的方法测量了其二阶非线性系数三个独立非零张量元的大小,分别为d31=0.15pm/V、d32=0.36pm/V和d33=0.12pm/V。以此为基础,我们对BaMgF4晶体的倍频与和频特性进行了数值模拟和计算。根据能量与动量守恒关系,推导了I类和II类匹配方式下,其相位匹配角以及有效非线性系数的关系曲线,并最后得到了其最佳位相匹配角。另外,在实验上采用Nb:YAG激光在BaMgF4晶体中进行了I类倍频与和频实验,倍频得到了最大转换效率为1.4％的532nm谐波的输出。通过和频实验观测到了非常微小的355nm的谐波信号,这是我们所知道的目前世界上利用BaMgF4晶体通过频率转换的方法得到的输出波长最短的谐波信号。
　　第二,我们研究了BaMgF4晶体的三阶非线性光学性质。用Z-scan的方法测量了其在400nm波长光下的非线性吸收以及非线性折射率系数。把Ti:Sapphire激光器输出的800nm光经BBO倍频后得到的400nm光作为激光光源,分别测量了BaMgF4晶体沿着三个晶轴偏振下的非线性吸收及折射率系数,发现其都具有较大的值,并且证明了此吸收属于三光子吸收。这个发现将使BaMgF4晶体在真空紫外非线性过程等领域具有较大的应用。此外,我们把400nm光聚焦到 BaMgF4晶体上,观测到了自位相调制效应引起的紫外超连续谱,并进一步分析了此效应是由BaMgF4晶体大的三阶非线性系数引起的。

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第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2全固态激光器

1.3相位匹配技术

1.4 真空紫外非线性晶体简介

1.5 本文章节安排

第二章 非线性光学晶体BaMgF4的结构与生长

2.1晶体的结构

2.2晶体的线性折射率

2.3晶体的生长

2.4晶体的透射谱测量

2.5本章小结

第三章 BaMgF4晶体的频率转换特性研究

3.1 BaMgF4晶体的二阶非线性系数测量

3.2 BaMgF4晶体频率变换理论研究

3.3 BaMgF4晶体频率变换实验研究

3.4本章小结

第四章 BaMgF4晶体的紫外三阶非线性效应研究

4.1三阶非线性光学现象

4.2用 Z-scan 的方法测量 BaMgF4晶体的紫外三阶非线性吸收和非线性折射率

4.3 BaMgF4晶体的紫外自位相调制实验

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1本文工作总结

5.2今后工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的成果