弱光非线性光子学材料的缺陷设计与构筑

Photon has become an important carrier of energy and information, which is widely used in many aspects of modern technologies. Weak-light nonlinear photonics has become the most important branch of photonics and the research hotspot due to its two important characteristics of low excitation energy and non-linear response. Photonic devices under low-light intensity have broader application prospects, but material is the bottleneck of weak-light nonlinear photonics. As we known, weak-light nonlinearity induced by electro-optic effect with the space charge field established by the excitation, migration and capture of light-induced carriers. And the establishment of a space charge field is usually based on the defect structures and charge transport processes in the crystals. Therefore, the fabrication of excellent weak-light nonlinear optical materials is inevitable based on the design and build of defect structure. This project will combine theoretical and experimental methods, deeply investigate the defect structure of the typical weak-light nonlinear photonic materials, show the function of defect structures on the establishment of space charge field, obtain the structure-activity relationship between the defect structure and low-light nonlinear photonic properties of materials, then design and build excellent weak-light nonlinear photonic materials, and give new theory and materials for function-oriented structural design and fabrication of crystalline materials.

光子已经成为重要的能源和信息载体，广泛应用于现代科技的诸多方面。弱光非线性光子学因所需的激发光的能量低和非线性响应这两个重要特征成为光子学研究的重要分支与热点。而弱光运作下的光子学器件则具有广泛的应用前景，但材料成为弱光非线性光子学研究的瓶颈。弱光非线性往往是通过载流子的激发、迁移、俘获，在介质中形成空间电荷场，在电光效应的作用下，导致光学非线性。而空间电荷场的建立，通常是基于介质中的各种缺陷结构及电荷的输运过程。因此高性能弱光非线性光学材料的获得必然基于对材料缺陷结构的设计及构筑。项目将采取理论与实验相结合的方法，深入研究典型弱光非线性光子学材料的缺陷结构，搞清缺陷结构对空间电荷场的决定作用，构建缺陷结构与材料弱光非线性光子学性能的构效关系，进而设计与构筑弱光非线性光子学材料的缺陷结构，获得高性能的弱光非线性光子学材料，为实现晶态材料功能导向的结构设计提供新理论与材料。

我们设计生长了掺钼系列铌酸锂晶体，六价的钼离子更倾向于占铌位，对晶体的性能也造成了不用以往的影响。该晶体能够以很短的响应时间在紫外到可见实现全波段的全息存储。尤其是掺0.5 mol%钼的铌酸锂晶体，使用351 nm激光写入，在保持60%衍射效率的同时，响应时间只有0.35 s。在此基础上，我们设计并生长了镁钼双掺铌酸锂晶体，当MgO的掺杂浓度超过阈值浓度时，能够使晶体在紫外至可见波段的光折变响应速度得到极大的提高，在351、488、532和671nm处的响应时间分别是0.22、0.33、0.37和1.2秒。因此镁钼双掺铌酸锂晶体是一种实现快速响应的全色全息数据存储的候选材料。.我们设计并生长了铋镁双掺铌酸锂晶体，对于532 nm激光，该晶体的抗光损伤能力达到5.8×106 W/cm2以上，另一方面，采用488 nm激光，在保持18%的衍射效率的同时，其光折变响应时间仅为0.18 s。也就是说，该晶体既具备高的抗光损伤能力，又具备优异的光折变性能。这与已有文献报道的光伤即光折变完全不同，进而我们提出当扩散机制占主导时，晶体可以同时具备高的抗光损伤能力和优异的光折变性能。该结论对于控制光折变非线性，设计性能优异的非线性光学晶体具有重要的指导意义。.进一步的研究表明，铋镁双掺铌酸锂晶体在近紫外波段，具有极快的响应速度，例如采用355 nm激光，晶体的响应速度可以达到5 ms以下。该结果对于全息存储的实际应用具有非常重要的意义，尤其是对于全息显示，已经满足了高清显示所要求的响应时间。而对于脉冲激光，比如10 ns激光，晶体的响应时间更是达到s量级，显示了极强的应用前景。.我们采用第一性原理的方法，计算了不同缺陷模型占位对应的晶体能量，找到了具有最低能量的最稳定锂空位缺陷模型；计算了掺镁铌酸锂晶体和掺铟铌酸锂晶体的电子结构，得到了掺杂铌酸锂晶体的能态密度图，发现其都具有和纯铌酸锂晶体相似的禁带结构，无缺陷能级出现在禁带内，只是带宽比纯铌酸锂晶体的略小。掺锆铌酸锂晶体的带隙中也没有缺陷能级出现，但是锆元素的掺入明显改变了晶体费米能级附近的电子结构，其带隙宽度明显低于掺镁和掺铟铌酸锂晶体；而对于掺铁铌酸锂晶体和掺铜铌酸锂晶体，其能态密度图均在禁带中出现了缺陷能级，并且不同价态的能态密度图也有较大的区别。这些结果对于深入认识晶体的缺陷结构，构筑晶体结构与性能的构效关系尤为重要。