參考倍頻法測(cè)量立方氮化硼晶體的二階非線性光學(xué)極化率

李健 孫娥 金禮南 趙建勛 裴佳楠 蔣大勇

摘 要：立方氮化硼晶體是一種有著眾多優(yōu)異物理性質(zhì)的光學(xué)材料，由于其晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，可產(chǎn)生二階非線性光學(xué)效應(yīng)。本文依據(jù)立方氮化硼晶體的外形特征，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，采用參考倍頻法測(cè)量了立方氮化硼的二階非線性光學(xué)極化率，為立方氮化硼的二階非線性光學(xué)效應(yīng)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：立方氮化硼晶體；二階非線性光學(xué)效應(yīng)；倍頻法；二階非線性光學(xué)極化率

中圖分類號(hào)：TN304 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）09（b）-0000-00

立方氮化硼晶體是一種Ⅲ-Ⅴ族化合物材料，有著非常優(yōu)異的物理性質(zhì)。它在硬度和熱導(dǎo)率上只略低于金剛石，其熱穩(wěn)定性極佳，只有溫度超過(guò)1200℃時(shí)立方氮化硼晶體才會(huì)被氧化。立方氮化硼是一種寬禁帶材料，其禁帶寬度約為6.3eV[1]，可以在合成過(guò)程摻雜某些的雜質(zhì)，使其成為N型或者P型的材料。立方氮化硼的吸收邊約為197nm，整個(gè)可見(jiàn)光、紅外和大部分的紫外波段都是透明的，純凈的立方氮化硼晶體無(wú)色透明[2]因此它也被視作一種良好的光學(xué)材料。

立方氮化硼晶體的晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，宏觀對(duì)稱性屬于點(diǎn)群。依據(jù)非線性光學(xué)理論可知，立方氮化硼晶體可以產(chǎn)生二階非線性光學(xué)效應(yīng)。目前人們研究立方氮化硼的非線性光學(xué)性質(zhì)的報(bào)道非常少，因此我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，采用參考倍頻法測(cè)量了立方氮化硼晶體的二階非線性光學(xué)極化率。

1 實(shí)驗(yàn)方案的理論推導(dǎo)

我們采用與立方氮化硼同種晶格結(jié)構(gòu)的、相同的通光方向的磷化鎵材料作為參考材料，選用Q開(kāi)關(guān)Nd：YAG脈沖激光器作為測(cè)量系統(tǒng)的光源來(lái)進(jìn)行立方氮化硼的二階非線性光學(xué)極化率的測(cè)量。利用基頻光與倍頻光的對(duì)比關(guān)系，通過(guò)與磷化鎵對(duì)比即可得到關(guān)于立方氮化硼與磷化鎵二階非線性光學(xué)極化率的比例關(guān)系，由于磷化鎵的二階非線性光學(xué)極化率是己知的，并且所需要的其它數(shù)據(jù)是己知的或可測(cè)定的，從而求得立方氮化硼的二階非線性光學(xué)極化率。

依據(jù)倍頻理論知[3]，在小信號(hào)近似的條件下，倍頻光和基頻光的強(qiáng)度滿足下式。

（1）

這里L(fēng)是晶體的通光長(zhǎng)度，是有效非線性系數(shù)；；將描寫(xiě)為折射率和波長(zhǎng)的函數(shù)，可得，把這一式子帶入（1）式中，得到

（2）

為測(cè)量立方氮化硼的二階非線性光學(xué)極化率，需采用與其晶體結(jié)構(gòu)相同且通光方向相同、二階非線性光學(xué)極化率已知的晶體材料。依據(jù)這一原則，我們選擇磷化鎵作為對(duì)比材料進(jìn)行試驗(yàn)。為方便起見(jiàn)，立方氮化硼的參數(shù)仍采用原式，磷化鎵的參數(shù)采用加上標(biāo)？來(lái)表示，因而可以得到立方氮化硼與磷化鎵的有效非線性系數(shù)之間的關(guān)系如下式所示。

根據(jù)上式，我們只需測(cè)量三個(gè)物理量即可得到立方氮化硼的二階非線性光學(xué)極化率，這三個(gè)量分別是立方氮化硼的通光長(zhǎng)度、磷化鎵的通光長(zhǎng)度、立方氮化硼和磷化鎵的倍頻光強(qiáng)度的比值。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

理想的cBN晶體是正八面體形狀，各個(gè)面均為{111}面。但是我們實(shí)驗(yàn)中采用的立方氮化硼晶體為發(fā)育不完全的正八面體，裸露在外的面都是{111}面，上下兩面較大，側(cè)面為不規(guī)則的小面，且側(cè)面與上下底面不垂直，實(shí)驗(yàn)中所用樣品很小，尺寸約為，其實(shí)際形狀如圖1所示。

根據(jù)理論分析的結(jié)果知，本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)滿足以下三個(gè)條件才能完成對(duì)立方氮化硼的二階非線性光學(xué)極化率的測(cè)量，一是通光方向相同，即沿著相同的晶向入射；二是由于倍頻光的強(qiáng)度與入射的基頻光的偏振方向有關(guān)系，因此必須使得入射到這兩種晶體內(nèi)的基頻光偏振相同；三是在測(cè)量立方氮化硼及磷化鎵的倍頻光強(qiáng)時(shí)必須采用同一套光路。在本實(shí)驗(yàn)中，選用磷化鎵為對(duì)比材料，其通光面與立方氮化硼同為（111）面，這使得第一條滿足；由于該實(shí)驗(yàn)的通光都是正入射，即垂直于通光面入射，所以以入射線為軸線，繞軸線旋轉(zhuǎn)樣品，使之倍頻光強(qiáng)度最大之時(shí)，則可保證立方氮化硼與磷化鎵的偏振角度達(dá)到相同，這使得第二條滿足；在實(shí)驗(yàn)中將光路調(diào)好之后，測(cè)量立方氮化硼和磷化鎵的倍頻光強(qiáng)度之時(shí)都不改變光路，第三條也可以保證。

波長(zhǎng)為1064nm的調(diào)Q脈沖Nd：YAG激光器作為實(shí)驗(yàn)中的光源使用。前一個(gè)聚焦透鏡的目的是聚焦入射光束以提高單位面積上的光功率，使得倍頻效應(yīng)更顯著。后一個(gè)聚焦透鏡的作用是使出射的光束轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄?。待測(cè)晶體所放置的位置應(yīng)在聚焦透鏡的焦點(diǎn)上。由于透過(guò)待測(cè)晶體的光包含有基頻光和倍頻光，而要測(cè)量的量只是倍頻光，因此必須要把基頻光與倍頻光在空間上分開(kāi)，故此光路中使用了三棱鏡來(lái)進(jìn)行分光，從出射光中將倍頻光分離出來(lái)，光路中的遮光板將基頻光的光束遮住，僅允許倍頻光通過(guò)。用硅光電探測(cè)器和示波器來(lái)測(cè)量倍頻光的相對(duì)光強(qiáng)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)果分析

采用上述的實(shí)驗(yàn)方案和光路分別對(duì)立方氮化硼和磷化鎵晶體進(jìn)行倍頻實(shí)驗(yàn)，測(cè)得的倍頻光相對(duì)光強(qiáng)如表1所示。

本實(shí)驗(yàn)中，我們的實(shí)驗(yàn)是建立在基頻光和倍頻光的折射率近似相等的條件上的。事實(shí)上基頻光和倍頻光的折射率不相等，這樣近似的結(jié)果會(huì)使得測(cè)得的二階非線性系數(shù)存在偏差。未來(lái)我們將設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量基頻光和倍頻光的折射率，從而利用式計(jì)算立方氮化硼的二階非線性系數(shù)，使誤差減小。本測(cè)試方法也可以推廣用于其他具有二階非線性光學(xué)效應(yīng)晶體的二階非線性極化率的測(cè)量。

參考文獻(xiàn)

[1] P. Rodriguez-Hermandcz， M. Gonzales-Diaz， and A. Munoz. Electronic and Structural Properties of Cubic BN and BP. Phys. Rev. B， 1995， 51（20）， 14705

[2] K. L. Barth， A. Lunk and J. Ulmer， Influence of the deposition parameters on boron nitride growth mechanisms in a hollow cathode arc evaporation device，urf. Coat. Technol.， 1997， 92， 96-103

[3] 石順祥，陳國(guó)夫等.非線性光學(xué)，西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

[4] 張鐵臣，鄒廣田.立方氮化硼.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)出版社，1993.