新型黄铜矿结构高效AⅡ-Si-P2（AⅡ=Cd, Zn, Mg）系列中红外非线性光学晶体的生长及性能研究

Mid-infrared Laser Output by Optical Frequency Conversion.Abstract: The main method to generate the Mid-infrared laser beyond 3μm is frequency conversion using nonlinear optical materials. AⅡ-Si-P2（AⅡ=Cd, Zn, Mg） are a series of new nonlinear optical materials for high efficient and high power mid-infrared laser applications since they have high thermal conductivity, high nonlinear optical coefficient, and large energy gap. The research project will be focus on： the character of phase equilibrium, the evolution of solid-liquid interface, and the non-stoichiometric character during the vertical Bridgman growth; and the solubility and crystallization characteristics of AⅡ-Si-P2 series crystals in the melt flux; the identification of crystal defects types and their effect on the physical properties of crystals; the evaluation of nonlinear optical properties in optical frequency conversion devices; the exploration of the relations among the crystal structure, growth parameters, crystal defects and crystal properties.

利用中红外非线性光学晶体对可见或近红外激光进行频率下转换是获取3μm以上中红外激光的重要途径之一。新型AⅡ-Si-P2（AⅡ=Cd, Zn, Mg）系列非线性光学晶体与ZnGeP2晶体同属黄铜矿结构，并且具有较高的热导率、更高的非线性光学系数以及更大的能隙，是一类性能优异的新型高效中红外非线性光学材料。本项目拟开展CdSiP2晶体垂直布里奇曼法单晶生长过程的相平衡特性、固-液界面演化规律、组分偏离计量比特性，AⅡ-Si-P2系列晶体在金属助熔剂中的溶解特性及析晶习性等基础问题研究，研究AⅡ-Si-P2晶体中的缺陷类型及其对晶体物理性能的影响，评价其作为光学频率变换器件的性能；探寻晶体结构、制备工艺、晶体缺陷和晶体物理性能等之间的关系。本项目的开展一方面可以获取新型红外非线性光学晶体，满足需求，另一方面也可以为探索和生长全新的可用1μm左右的激光泵浦的高效中红外非线性光学材料提供理论指导。

新型Si-P系列化合物是一类性能优异的新型高效光电功能晶体材料。按照课题研究计划，我们开展了红外非线性光学晶体CdSiP2的多晶合成过程的反应机理和垂直布里奇曼法单晶生长工艺的研究。克服了CdSiP2晶体在合成及生长时生长温度高、饱和蒸气压大、晶体易开裂等技术问题，在国际上率先采用垂直布里奇曼法生长出φ14×30mm3的大尺寸、高质量的CdSiP2单晶。此外，我们对晶体生长过程中产生的各种缺陷进行了细致的研究，探索出了引起光散射的第二相包裹物的主要成分、产生的原因以及控制措施，对CdSiP2晶体中的本征点缺陷和杂质对光学性能的影响进行了理论计算和实验研究。全面表征了CdSiP2晶体的热学、光学等物理性能，为其非线性光学器件的应用奠定了基础。同时，我们开展了Si-P系列晶体的金属助熔剂法生长研究，生长出SiP、SiP2、ZnSiP2、MnSiP2、Ca2Si2P4, Ca3Si8P14, Ca3Si2P4等多种新型功能晶体，对其晶体结构进行了解析，表征了这些晶体的基本物理性能，对这些新型晶体的应用前景进行了评价。本课题的开展一方面解决了红外非线性光学晶体CdSiP2在多晶合成及单晶生长中的系列基础问题，为其进一步的器件应用奠定了良好的理论和技术基础。另一方面开发了多种新型磷硅系列化合物，对探索新型高效的光电功能材料具有重要的理论指导意义。