Nichtlineare optische Kristalle haben wichtige Anwendungen in den Bereichen Laserwissenschaft und -technologie wie Lithographie, Kommunikation, Mikrobearbeitung und Laseranzeige. Phasenanpassung ist eine notwendige Voraussetzung für nichtlineare optische Kristalle, um eine effiziente Umwandlung zu realisieren, und herkömmliche nichtlineare optische Kristalle basieren normalerweise auf dem Prinzip der Doppelbrechung, um Phasenanpassung zu realisieren. Im tiefen Ultraviolettbereich (UV), wo die Wellenlänge weniger als 200 nm beträgt, ist es jedoch aufgrund ihrer geringen Doppelbrechung bei einer großen Anzahl nichtlinearer optischer Kristalle schwierig, eine doppelbrechende Phasenanpassung zu realisieren. Die Quasi-Phasenanpassungstechnik realisiert die effiziente Ausgabe von Oktavlicht durch den Aufbau einer Struktur, in der die nichtlinearen Koeffizienten im Kristall periodisch umgekehrt werden, sodass die Energie kontinuierlich vom Grundfrequenzlicht zum Oktavlicht fließt. Im Vergleich zur doppelbrechenden Phasenanpassung hat diese Technik den Vorteil, dass sie nicht auf die Doppelbrechung des Materials angewiesen ist, ein breites Wellenlängenband anpasst und den maximalen nichtlinearen Koeffizienten des Materials nutzen kann. Allerdings sind nichtlineare optische Kristalle, die für eine quasi-phasenangepasste Ausgabe im tiefen Ultraviolettband geeignet sind, immer noch sehr selten.
Kürzlich haben die Forscher Zhao Sangen und Luo Junhua vom Fujian Institute of Materials and Structures der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (FIMSTEC) erfolgreich transparente LiNH4SO4-Einkristalle im Zollmaßstab in wässriger Lösung gezüchtet und die Ferroelektrizität von LiNH4SO4-Kristallen mithilfe einer elektrischen Hystereseschleife und variabler Temperatur bestätigt nichtlinearer optischer Test usw. Die LiNH4SO4-Kristalle zeichnen sich durch einen hohen Grad an Ferroelektrizität und einen hohen Grad an Nichtlinearität aus. Einzeldomänenproben von LiNH4SO4 wurden erfolgreich durch Anlegen einer unidirektionalen Polarisationsspannung erhalten, und die LiNH4SO4-Kristalle haben einen Transmissionsbereich von nur 171 nm, moderate nichtlineare optische Koeffizienten zweiter Ordnung (0.33 pm/V). und hält einer Laserbestrahlung von bis zu 1,47 GW/cm-2 unbeschadet stand. Der wellenlängenabhängige Brechungsindex von LiNH4SO4 wurde genau bestimmt und die Dispersionsgleichung von LiNH4SO4 wurde mit der Methode des minimalen Ablenkungswinkels angepasst. Die Ergebnisse zeigen, dass LiNH4SO4 eine sehr niedrige Brechungsindexdispersion aufweist, was zu einem quasi- Phasenanpassungsperiode des Kristalls von 1,4 µm bei der verdoppelten Lichtwellenlänge von 177,3 nm. Die obigen Ergebnisse zeigen, dass LiNH4SO4 ein starker Kandidat für die Laserfrequenzumwandlung im tiefen Ultraviolett ist. Die Ergebnisse von Ab-initio-Berechnungen deuten darauf hin, dass die nichtlineare optische Reaktion und der weite Transmissionsbereich von LiNH4SO4 hauptsächlich auf den Beitrag von SO42--Tetraedermotiven zurückzuführen sind, wohingegen seine geringere Brechungsindexdispersion hauptsächlich auf die stark lokalisierte Natur des LiNH4SO4 zurückzuführen ist Li+- und NH4+-Kationen und die Elektronen von SO42--Motiven im LiNH4SO4-Kristall. Diese Erkenntnis bietet eine effektive Möglichkeit, quasi-phasenangepasste nichtlineare optische Kristalle im tiefen Ultraviolett zu entwickeln.
Dr. Yipeng Song, ein Doktorand an der Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, ist der Erstautor des Artikels, und der assoziierte Forscher Bingxuan Li vom Institut für Physik und Strukturen in Fujian, China, ist der Mitautor des Artikels Papier.
Abbildung 1 (a) Vergleich von doppelbrechenden phasenangepassten und quasi-phasenangepassten Elementen; (b) LiNH4SO4-Kristall in ferroelektrischer Phase; (c) Kristallstruktur der cis-elektrischen Phase
Abb. 2 (a) LiNH4SO4-Kristalle, die durch Impfkristalle in der [011]-Richtung gezüchtet wurden (b) [001]-Richtung; (c) LiNH4SO4-Kristalle mit nichtlinearem Optiktest bei variabler Temperatur; (d) Zyklentest mit nichtlinearer Optik bei variabler Temperatur; (e) PE- und JE-Kurven von LiNH4SO4-Kristallen bei 413 K; (g) 180-Grad-Bild der ferroelektrischen Domänen von LiNH4SO4-Kristallen; (h) Eindomänige LiNH4SO4-Kristalle
Abb. 3 (a) Tief-UV-Transmissionsspektrum eines LiNH4SO4-Kristalls; (b) LiNH4SO4-Kristall-Maker-Streifen; (c) Optisches Mikroskopbild eines LiNH4SO4-Kristalls nach Beschädigung durch einen Nanosekundenlaser (d) vor und nach (e); Dreieckiges Prisma, das für den Brechungsindex von LiNH4SO4 verwendet wird (e) Lichtdurchgang in (100)-Richtung; (f) Durchgang von Licht in (001)-Richtung; (g) (h) Brechungsindex-Dispersionsgleichung des LiNH4SO4-Kristalls; (i) Optischer Indexkörper bei 532 nm aus LiNH4SO4-Kristall
Abb. 4 Quasi-Phasenanpassungszyklen erster Ordnung der Summen- und Differenzfrequenzprozesse von LiNH4SO4-Kristallen
Abb. 5 Elektronische Energiebandstruktur von LiNH4SO4; (b) Zustandsdichte/partielle Zustandsdichtediagramm von LiNH4SO4; (c) HOMO von LiNH4SO4; (d) LUMO von LiNH4SO4
