新型非线性光学晶体CLBO的结构控制及晶体生长和性能研究

CsLiB6O10(CLBO)晶体是一种综合性能优良的新型深紫外非线性光学晶体。然而，因其结构松散，在空气中室温条件下易潮解开裂，影响其自身优势的发挥；而且在晶体表面和内部会产生激光损伤，严重影响CLBO晶体的应用特性。本研究以CLBO为模型，通过元素替代控制其结构的稳定性，达到有效控制其紫外吸收边和双折射的目的，进而研发优于CLBO的新型非线性光学晶体，最终实现Nd:YAG激光的6倍频谐波光(177nm)的170nm级别的全新的高性能的深紫外光源的输出。并以顶部籽晶法生长优质单晶，研究该单晶的缺陷、微结构、非线性光学性质等，同时深层次揭示晶体的微观结构和宏观性能之间的关系。本项目研发的深紫外非线性光学晶体，将提供全新的缺陷检查激光光源，为研发下一代超微细布线半导体器件提供必须的缺陷检查装置，以提高国内半导体产业的科学技术水平和推进该产业的国际竞争力。

硼酸铯锂（CsLiB6O10；简称CLBO）晶体是20世纪90年代发现的一种深紫外非线性光学晶体。该晶体具有优异的非线性光学性能，例如：非线性系数大，离散角小，双折射适中，温度带宽和接收角范围很宽，抗激光损伤阈值高。目前，CLBO晶体已经在Nd:YAG激光器的四倍频以及五倍频应用方面表现出非常优异的性能。特别是与目前应用较为广泛的β-BaB2O4（BBO）和LiB3O5（LBO）相比，CLBO更加容易生长成大尺寸单晶，使之在宽波段可调谐激光器、全固态短波长激光器、尤其是深紫外全固态激光器中具有广阔的应用前景。本论文采用顶部籽晶（Top-Seeded Growth；简称TSSG）法生长出大尺寸、高质量的CLBO单晶，对其生长、缺陷、掺杂及各项物理性能，特别是电学性能和力学性能进行了较为系统的研究，主要研究内容包括：.1)、晶体生长及缺陷研究. 本文中CLBO晶体生长原料采用水溶液法混合。采用顶部籽晶法生长晶体，对晶体生长过程中易出现的生长台阶、孪晶、中芯部失透、炸裂等生长缺陷进行了研究；并对生长过程中常见的籽晶炸裂、原料溢出、坩埚膨胀等工艺问题进行了分析。设计出一种新型的尖端籽晶生长CLBO晶体的方法，生长出形状规则、缺陷较少、透过率高的CLBO晶体。.2)、电学性能研究. 对CLBO晶体（101）、（100）和（001）晶面的介电、电导、阻抗和压电等电学性能进行了系统的研究。结果表明，在高温条件（400-450℃）下，CLBO晶体各晶面的介电常数εr和介电损耗tanδ都随频率（102-105Hz）的升高而降低，随温度的升高而升高；CLBO晶体的电学性能具有明显的各向异性，与晶体内部的离子排列方式密切相关，其中（001）晶面在低频时具有最高的介电常数，450℃时在102Hz处的介电常数达到了107，（001）晶面还具有最优异的压电性能和最大的交流电导率。.3)、纳米力学性能研究. 对CLBO晶体（100）面和（001）面做了纳米压痕实验并研究了相应的力学性能。.4)、CLBO晶体掺氢. 通过对CLBO晶体掺氢，掺氢后晶体在200-300nm的透过率下降了约10%，紫外截至波长蓝移了约1nm；晶体对870nm波长激光的倍频转换效率由未掺氢的5.6%提升到14.7%。