电抽运立方氮化硼晶体激射蓝紫光的研究

在完成国家自然科学基金项目"立方氮化硼二阶非线性光学性质研究"过程中，我们在实验中观察到立方氮化硼单晶体材料的电致发射蓝紫光现象。观察到的蓝紫光主要是自发辐射，偶尔可能是受激辐射。本项目研究电抽运立方氮化硼晶体激射蓝紫光的机理和能够稳定激射蓝紫光的条件。把施主能级、导带底和Г能谷假设为三个能级，按照三能级模型建立和求解立方氮化硼晶体内光子和电子的非线性速率方程组，寻找能够受激发光的条件。根据所用立方氮化硼晶体的特点，设计和研制适合蓝紫光振荡的谐振腔和相应的电极。利用研制的样品进行电抽运受激发光实验，选择电抽运条件，直至获得稳定的蓝紫激光。测量并研究激光的光谱，与我们计算的和文献报道的立方氮化硼的能带结构联系起来，深入研究立方氮化硼的发光机理。同时根据实验数据，完善我们计算得到的能带结构。电抽运立方氮化硼晶体激射蓝紫光的研究，我们目前未见报道。该研究将为研制立方氮化硼晶体蓝紫激光器奠定基础。

立方氮化硼（cBN）晶体是具有闪锌矿结构的最简单的III-V族化合物，它的{111}表面具有极性，我们提出了目测确定颜色分区的片状cBN单晶表面极性的方法。所使用的未故意掺杂的cBN晶体X射线光电子谱表明cBN晶体中缺陷和杂质主要是氮空位(VN)和碳（C）杂质。C在cBN晶体中占据了N的位置(CN)，成为受主杂质，VN属于施主陷阱。VN-CN构成的施主—受主对将使得cBN发光谱复杂化。我们测得的颜色分区的片状cBN单晶{111}面的拉曼光谱有与表面极性相关的特点，但是与已报道的琥珀色截角四面体形状的cBN单晶的拉曼光谱与表面极性相关的特点相反。我们分析可能是晶格的有序性受到破坏，激活布里渊区中心附近以外的拉曼散射产生的结果。通过解理和研磨我们把微小的片状cBN单晶样品加工成了长方体形状。使用长方体形状的cBN单晶样品作为电光晶体，用650nm连续波半导体激光器作为光源，建立了横向电光调制系统。按照我们提出的实验和数据处理方案，精确地测定cBN单晶线性电光张量中三个全同的非零元素值为3.95pm/V。用外形为立方八面体的人造金刚石单晶样品作为电光晶体，我们得到了该样品的三阶非线性光学极化率的非零元素Xxyxy和另外两个非零元素的差（Xxxxx-Xxxyy）的实验值。在研究cBN单晶的电流—电压特性过程中，发现了有趣的可逆的电致变色现象。利用针尖电极—cBN单晶样品—平板电极结构，通过施加直流电压获得了中心波长149nm的真空紫外光。用电子在cBN的能带之间的跃迁、能带内的转移和电子与空穴的直接复合过程，解释了强电场中cBN单晶真空紫外光的发射。研究了在大气中和低真空中cBN单晶引发的等离子体放电现象。观测到的现象与通常的针尖电极—空气间隙—平板电极结构产生的气体放电现象非常不同。我们推测，开始可能是强电场激励cBN单晶发射出的真空紫外光电离空气产生了等离子体，然后在电场和真空紫外光的共同作用下维持空气放电。强电场中cBN单晶真空紫外光的发射和cBN单晶引发的等离子体放电现象不仅具有科学意义，而且具有广阔的应用前景。