KDP晶体在光学太赫兹辐射源中的应用

磷酸二氢钾(KH2 PO3)晶体,简称KDP晶体,是一种具有优良性能的非线性光学材料。KDP晶体内部的化学键以离子键为主,混有氢键和共价键,通常被认作由[H2 PO4]-和K+组成的离子型晶体。在其结构中,P原子和O原子之间存在着强烈的极化作用,并以共价键结合成PO4基团,每个P原子被位于近似正四面体顶角的4个O原子所包围。每个晶体单胞有4个分子,分别由2套互相穿插的PO4四面体体心格子和2套互相穿插的K+体心格子组成,这2类格子互相沿c轴移开,每个PO4四面体的O通过氢键与相邻的4个PO4四面体基团中的一个临近的O连接,所有的氢键几乎都和c轴垂直。在每个氢键中,H原子并不处在两个O原子联结的正中间,而是有两个平衡位置,一个位置接近所考虑的PO4基团,另一个位置则离它较远。PO4基团不仅彼此被氧键连接成三维骨架型氢键体系,而且也被K原子联系着,每个K原子周围有8个临近的O原子,这8个相邻的O原子可分为相互穿插的2个PO4四面体,其中一个比较陡峭的四面体顶角与位于K原子上方和下方的PO4四面体共用H原子,另一个比较平坦的四面体则和K原子处在同一(001)面内的四面体共顶角[27]。KDP属于四方晶系,点群为4-2m(D 2d),空间群为I 4-2d(D 122d),晶胞参数为a=b=0.745 3 nm,c=0.6975 nm,Z=4[28]。KDP晶体非线性系数大[d 36(1064 nm)=0.46×10-12 pm/V],电光系数大(γT63=10.5 pm/V),损伤阈值高,吸收系数小(α=0.001 8 cm-1),可应用于电光调制、倍频、差频和光参量振荡等非线性效应。

KDP晶体的色散方程一般表示为[29]

式中,波长λ的单位为μm;系数A、B、C、D与温度有关,呈线性关系用公式表示为

式中,X分别表示系数A、B、C、D;T为热力学温度;系数m与q的关系由表2-1给出：

表2-1　KDP晶体的m、q参数[29]

注：n o代表寻常光;n e代表非寻常光。

KDP晶体主要是从水溶液中生长而来,其晶体生长的主要驱动力为溶液的过饱和度。KDP晶体在水溶液中的溶解度和温度系数都比较大,且溶液的准稳定区间也宽,因此KDP晶体生长主要在水溶液中完成,其主要生长方法为传统降温法和点籽晶快速生长法。(www.xing528.com)

(1)传统降温法[30]

传统降温法是通过溶液的缓慢降温获得晶体生长所需的驱动力来进行晶体的生长。该方法比较简单,首先将KDP溶液进行加热,蒸发溶剂成饱和溶液,此时降低热饱和溶液的温度,溶解度随温度变化较大的溶质就会呈晶体析出,通过结晶生长出KDP晶体。这种生长方法的装置比较简单、溶液稳定性高,可以进行高质量、大尺寸的KDP晶体的制备,其缺点是其晶体的生长速度慢、生长周期长。

(2)点籽晶快速生长法[31]

点籽晶快速生长法是在较高过饱和度和较高温度下使晶体锥柱面同时快速生长的方法。由于籽晶的面积较小,从而减小了晶体的生长恢复区域,相比传统降温法生长的晶体其生长速度快,可达10~20 mm/d,利用率高。但是点籽晶快速生长法所需要的过饱和度较高,增加了控制溶液稳定性的难度,若控制不好超出亚稳区范围,容易出现杂晶现象,导致晶体生长失败的概率大大增加。此外,该方法容易导致晶体中包藏数量增大、扇形界产生等问题。

KDP晶体的理想生长外形为一个四方柱单形与上下四对板面相聚合而成,具有简单的结晶习性,如图2-3所示[27]。

图2-3　KDP晶体的理想生长外形[27]

这种晶体具有高度对称性,而且外形的生长比较简单,因此KDP晶体容易加工,能更有效地应用于非线性频率变换技术。具有KDP晶体结构型的晶体,统称为KDP型晶体,化学通式可写为AH2 BO4,A=NH4+,K+,Cs+…;B=P,As…原子。KDP型晶体是一类十分重要的多功能晶体材料,其A、B原子的不同会使得不同类型的KDP晶体性质也不同。