大尺寸非线性光学晶体的研制

随着世界能源危机的日渐逼近，各国都在大力寻找开发新的能量产生技术。此外，由于国际禁核的管理越来越严，模拟核爆以改进核武器的需求也越来越强烈。由此产生了激光核聚变模拟技术。但要制备指定波长的强激光，需要大尺寸的非线性光学晶体来改变激光的频率。此前曾使用过KDP族非线性光学晶体，但该类晶体非线性系数太小，且在强激光轰击下会产生受激拉曼散射，从而降低频率转换效率。该晶体的抗激光损伤阈值也不够高，晶体生长速度很慢，所以KDP晶体试用了几十年，也没有解决激光聚变装置的频率转换问题。而本项目提出拟进行研制的CLBO、LBO非线性光学晶体，具有非线性系数大、拉曼散射小、生长速度较KDP快等优点，且能生长出较大的单晶体。所以是解决强激光变频很有潜力的非线性光学晶体材料。我们拟进行CLBO、LBO的大尺寸晶体生长的关键技术研究、生成态晶体的品质鉴定、大尺寸变频器件制作以及强激光变频试验等工作。

大尺寸CLBO晶体的生长研究中，首先对单晶生长炉进行了改造。通过优化热循环，使内部纵向温场分布平滑，并设计改进了坩埚搅拌和籽晶装置，使之更加适合大尺寸晶体的生长；同时研究了CLBO晶体生长的原料配比、长周期生长过程中组份对晶体生长缺陷的影响，克服了CLBO晶体中的管状缺陷，大大提高了生成态晶体的光学质量；获得了大尺寸高质量CLBO晶体的稳定生长条件和工艺参数，生长出的CLBO晶体重1.74kg,生成态八面体尺寸为145mm×125mm，高110mm，已加工出二倍频方向的无缺陷晶体尺寸105mm×75mm×35mm。大尺寸二倍频器件方面还可以提高，为CLBO晶体的进一步应用提供保障。.大尺寸LBO晶体研究目前已突破超低粘度生长体系、近匹配角定向生长、高温熔盐传输等关键技术。晶体器件全口径光学均匀性达10-7，指标国际最高。晶体尺寸达240×160×110mm3的LBO晶体，重3870g（世界最大尺寸和重量）。共提供十余件口径从60mm至164mm的LBO器件，为我国高能激光研究提供了重要的支撑。2013年，基于我们提供的100mm口径的LBO器件，实现了基于LBO晶体的1PW的OPCPA激光输出，近期又提供两块尺寸分别为164.0mm×110.0mm（基本厚度为12.2mm），139.0mm×132.0mm（基本厚度为11.5mm）的晶体毛坯，中国工程物理研究院使用这两块晶体实现了5PW的输出，这是目前国际上基于OPCPA放大器获得的最高峰值功率。