弱光非線性光子學材料的缺陷設計與構築

《弱光非線性光子學材料的缺陷設計與構築》是依託南開大學，由孔勇發擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：弱光非線性光子學材料的缺陷設計與構築
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：孔勇發
• 依託單位：南開大學

中文摘要

光子已經成為重要的能源和信息載體，廣泛套用於現代科技的諸多方面。弱光非線性光子學因所需的激發光的能量低和非線性回響這兩個重要特徵成為光子學研究的重要分支與熱點。而弱光運作下的光子學器件則具有廣泛的套用前景，但材料成為弱光非線性光子學研究的瓶頸。弱光非線性往往是通過載流子的激發、遷移、俘獲，在介質中形成空間電荷場，在電光效應的作用下，導致光學非線性。而空間電荷場的建立，通常是基於介質中的各種缺陷結構及電荷的輸運過程。因此高性能弱光非線性光學材料的獲得必然基於對材料缺陷結構的設計及構築。項目將採取理論與實驗相結合的方法，深入研究典型弱光非線性光子學材料的缺陷結構，搞清缺陷結構對空間電荷場的決定作用，構建缺陷結構與材料弱光非線性光子學性能的構效關係，進而設計與構築弱光非線性光子學材料的缺陷結構，獲得高性能的弱光非線性光子學材料，為實現晶態材料功能導向的結構設計提供新理論與材料。

結題摘要

我們設計生長了摻鉬系列鈮酸鋰晶體，六價的鉬離子更傾向於占鈮位，對晶體的性能也造成了不用以往的影響。該晶體能夠以很短的回響時間在紫外到可見實現全波段的全息存儲。尤其是摻0.5 mol%鉬的鈮酸鋰晶體，使用351 nm雷射寫入，在保持60%衍射效率的同時，回響時間只有0.35 s。在此基礎上，我們設計並生長了鎂鉬雙摻鈮酸鋰晶體，當MgO的摻雜濃度超過閾值濃度時，能夠使晶體在紫外至可見波段的光折變回響速度得到極大的提高，在351、488、532和671nm處的回響時間分別是0.22、0.33、0.37和1.2秒。因此鎂鉬雙摻鈮酸鋰晶體是一種實現快速回響的全色全息數據存儲的候選材料。 我們設計並生長了鉍鎂雙摻鈮酸鋰晶體，對於532 nm雷射，該晶體的抗光損傷能力達到5.8×106 W/cm2以上，另一方面，採用488 nm雷射，在保持18%的衍射效率的同時，其光折變回響時間僅為0.18 s。也就是說，該晶體既具備高的抗光損傷能力，又具備優異的光折變性能。這與已有文獻報導的光傷即光折變完全不同，進而我們提出當擴散機制占主導時，晶體可以同時具備高的抗光損傷能力和優異的光折變性能。該結論對於控制光折變非線性，設計性能優異的非線性光學晶體具有重要的指導意義。 進一步的研究表明，鉍鎂雙摻鈮酸鋰晶體在近紫外波段，具有極快的回響速度，例如採用355 nm雷射，晶體的回響速度可以達到5 ms以下。該結果對於全息存儲的實際套用具有非常重要的意義，尤其是對於全息顯示，已經滿足了高清顯示所要求的回響時間。而對於脈衝雷射，比如10 ns雷射，晶體的回響時間更是達到s量級，顯示了極強的套用前景。 我們採用第一性原理的方法，計算了不同缺陷模型占位對應的晶體能量，找到了具有最低能量的最穩定鋰空位缺陷模型；計算了摻鎂鈮酸鋰晶體和摻銦鈮酸鋰晶體的電子結構，得到了摻雜鈮酸鋰晶體的能態密度圖，發現其都具有和純鈮酸鋰晶體相似的禁帶結構，無缺陷能級出現在禁帶內，只是頻寬比純鈮酸鋰晶體的略小。摻鋯鈮酸鋰晶體的帶隙中也沒有缺陷能級出現，但是鋯元素的摻入明顯改變了晶體費米能級附近的電子結構，其帶隙寬度明顯低於摻鎂和摻銦鈮酸鋰晶體；而對於摻鐵鈮酸鋰晶體和摻銅鈮酸鋰晶體，其能態密度圖均在禁帶中出現了缺陷能級，並且不同價態的能態密度圖也有較大的區別。這些結果對於深入認識晶體的缺陷結構，構築晶體結構與性能的構效關係尤為重要。