摘要
通过频率转换技术，非线性光学晶体能够显著拓宽现有激光的波长范围，这在很多领域，例如医疗器械、环境监测、激光通讯、材料加工，有着重要的应用。为了满足激光领域对非线性光学材料的需求，探索具有竞争力的新型中远红外非线性光学晶体是十分必要的和具有挑战性的。本论文主要研究了高质量，大尺寸BaGa4Se7晶体的生长和红外激光输出性能;同时，以金属砷化物为研究对象，对新型红外非线性光学晶体材料进行了探索研究。取得如下成果: 采用高温高压合成方法大批量合成高纯度的BaGa4Se7多晶原料。使用经过COMSOLMultiphysicsTM优化后适合BaGa4Se7晶体生长的温度场，成功生长出尺寸为Φ40mm×180mm的大尺寸BaGa4Se7单晶。加工得到的尺寸为8.5×7.3×2.5mm3BaGa4Se7器件在1-12μm范围内的透过率达到68％-70％并且在4μm处的吸收系数仅为0.017cm-1。激光损伤阈值为1.415GW/cm2@1064nm,1Hz,5ns。力学性能测试表明BaGa4Se7晶体的杨氏模量为55.0GPa，硬度为4.34GPa。BaGa4Se7晶体的尺寸、透过率和损伤阈值较之前都有所提高，有利于高功率的中远红外激光输出。首次利用平均功率30W,频率300Hz的Nd∶YAG激光器泵浦实现基于高斯反射镜输出非稳腔BaGa4Se7-OPO，3746nm处的闲频光的输出功率为0.86W,对应斜效率为7.9％,光-光转化效率为2.9％。利用具有线形谐振腔的BaGa4Se7-OPO,通过调Q、脉冲重复频率为1kHz的2.09μmHo∶YAG激光器泵浦最大输出总功率为5.12W。 针对一种新型零带隙砷化物Weyl材料CaAgAs,提出了一种改进的粉末倍频测试方法，并对倍频信号进行了观测。进一步对CaAgAs非线性光学效应的起源进行了详细的理论研究。CaAgAs的光学带隙小于0.5eV,与CdGeAs2的带隙比较接近。利用优化后的Kurtz-Perry方法成功观察到CaAgAs的倍频信号，大约是CdGeAs2的0.7倍。该方法仅适用于小带隙且费米能级附近态密度较低的化合物。此外，根据第一性原理计算，CaAgAs的最大非线性光学系数为236pm/V，由于对称破缺的Kagome晶格，[Ca3As13]基团中的离子键对非线性光学效应效应起着不可或缺的作用。通过计算，CaAgAs具有强的光学各向异性，双折射值达到0.52。 我们通过提高Cd/Si的比例，找到一种Cd呈现三配位的化合物Cd7SiAs6。它结晶于非中心对称的立方晶系空间群P213。其光学带隙为0.41eV。利用Kurtz-Perry方法测量Cd7SiAs6的粉末倍频效应约为CdGeAs2的0.3倍。Cd7SiAs6只拥有一个独立的非线性光学系数张量，通过理论计算结果为-53.83pmV-1,证实了CdAs3基团是比较好的具有非线性效应的基团。 用二元金属砷化物作为反应熔剂，在A-Zn-As（A位为Mg,Ca,Sr,Ba等元素）体系，发现MgZn2As2与Ba2Zn5As6两种新化合物，它们分别结晶于P2/c和Pmna空间群。将它们与同体系的化合物进行了分析和比较发现该体系中由于Zn的多种配位方式及As-As键会导致晶体结构复杂多变。MgZn2As2的带隙为0.88eV,Ba2Zn5As6的带隙为1.12eV。无论是MgZn2As2还是Ba2Zn5As6,其带隙都明显高于A-Zn-As体系中其他砷化物。
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