CN108020535A - 测量dkdp晶体氘含量均匀性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量DKDP晶体氘含量均匀性的方法。本发明利用ν₁模拉曼频移作为表征DKDP晶体氘含量的参量，通过显微共聚焦拉曼光谱测量系统测量DKDP晶体不同位置ν₁模的拉曼频移获得该晶体氘含量的空间分布，进而可以对其氘含量均匀性进行评估，该测量方法操作简便，降低了仪器测量误差、DKDP晶体表面氘含量衰减、数据处理误差及周围环境等因素的影响，实现了DKDP晶体氘含量均匀性的在线无损测量。

Description

测量DKDP晶体氘含量均匀性的方法

技术领域

本发明涉及一种DKDP晶体氘含量均匀性的方法，具体是一种基于DKDP晶体的PO₄的全对称伸缩振动模(ν₁模)随晶体氘含量变化发生频移的特征实现DKDP晶体氘含量均匀性的在线无损高精度测量方法。

背景技术

DKDP晶体是一种性能优良的非线性光学材料，其具有较大非线性系数，较宽的透光范围，较高的激光损伤阈值和易于获得大尺寸单晶等优点，是目前唯一可用于大口径高功率激光系统中的非线性光学晶体，主要作为电光开光和谐波转换材料。与KDP晶体相比，DKDP晶体具较低的半波电压和横向受激拉曼散射(TSRS)增益系数，并且通过调节晶体氘含量可以在室温下实现非临界四倍频。因此，DKDP晶体在大口径高功率激光系统中得到广泛应用。

DKDP晶体通常是从一定氘含量的K(H_1-xD_x)₂PO₄溶液中获得，晶体生长过程中氘原子在晶体和溶液中的比例不同，即存在分凝现象。DKDP晶体通常在密闭的生长系统中采用降温法生长，生长过程中的温度、过饱和度及溶液氘含量的变化将导致D原子的分凝系数的波动，引起最终获得的DKDP晶体氘含量空间分布的不均匀。在高功率激光系统中，DKDP晶体氘含量的均匀性将直接影响倍频系统的倍频效率及光束的均匀性。因此，我们应严格控制DKDP晶体氘含量的均匀性，而采取措施控制的基础环节是要准确测量DKDP晶体氘含量的均匀性。由以上分析可知，分凝系数依赖于生长条件，因此DKDP晶体氘含量测量应采用直接测量法。目前，DKDP晶体氘含量的直接测量法主要有热重法、二次离子质谱法及中子散射法等方法，然而，这些方法是基于小尺寸晶体测试并带有一定的破坏性。研究表明，随着氘含量的增加DKDP晶体的PO₄的全对称伸缩振动模(ν₁模)发生线性红移，1cm^-1代表约2.78％氘含量，利用该拉曼特性可是现实DKDP晶体氘含量的在线无损测量(Characterization ofproton exchange layer profiles in KD₂PO₄crystals by micro-Raman spectroscopy,Vol.58,2004,349-351)。利用拉曼光谱法同样可以实现DKDP晶体氘含量均匀性的在线无损均匀性测量，且操作简便。然而，需要注意的是，DKDP晶体氘含量空间变化通常较小尤其是传统生长的DKDP晶体，该方法仪器测量误差和数据处理误差通常会掩盖晶体本征氘含量的不均匀性差异。目前，利用该方法测量DKDP晶体氘含量均匀性尚未有报道。因此，此方法亟需改进并建立精确系统的测量方法以降低系统测量误差，实现DKDP晶体氘含量均匀性的在线无损测量。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种测量DKDP晶体氘含量均匀性的方法，包括以下步骤：

步骤一、利用激光器产生连续激光，激光经过拉曼光谱仪光路耦合进光纤，激光经光纤导入共聚焦显微镜，经共聚焦显微镜物镜聚焦于二维平移台上的单晶Si片表面，激光激发的拉曼信号经过共聚焦显微镜和光纤返回拉曼光谱仪测量系统，利用Si的一阶拉曼峰对拉曼光谱仪进行校准，并考察测量系统的重复性；

步骤二、将DKDP晶体置于二维平移台上，激光器发射的激光经过拉曼光谱仪光路耦合进光纤，激光经光纤导入共聚焦显微镜，经共聚焦显微镜物镜聚焦于晶体表面，分别沿X、Y方向移动DKDP晶体，观察晶体表面激光聚焦状态变化，若有变化则需适当调整晶体姿态使得激光焦斑无明显变化；

步骤三、在DKDP晶体中心和4个边角处共选取5个测量点，在每个测量点调节共聚焦显微镜系统的升降台位置实现DKDP晶体由表及里不同深度的拉曼光谱测量，深度间隔≤10μm，观察ν₁模拉曼频率随测量深度的变化并记录ν₁模拉曼频率保持恒定时的深度d，取各测量点深度d中的最大值d_max作为该晶体氘含量均匀性测量时的激光聚焦深度；

步骤四、激光聚焦于DKDP晶体表面以下d_max深度，按照一定的间隔分别沿X、Y方向移动晶体并测量对应位置的拉曼光谱，测量点数≥100，每个位置点重复测量至少b次，采用洛伦兹三峰拟合DKDP晶体各测量点处的拉曼光谱以获得对应的ν₁模拉曼频率，每个测量点ν₁模的频率取b次测量的平均值，其中b≥5；

步骤五、根据测得的DKDP晶体ν₁模的拉曼频率计算该DKDP晶体各测量点处的氘含量，进而获得该DKDP晶体氘含量的最大偏差及氘含量随晶体位置的变化。

优选的是，还包括：选取与被测DKDP晶体切型相同的KDP晶体一块，将KDP晶体置于二维平移台上，激光器发射的激光经过拉曼光谱仪光路耦合进光纤，激光经光纤导入共聚焦显微镜，经共聚焦显微镜物镜聚焦于KDP晶体的体内，在晶体不同位置至少选取5个测量点测量，激光激发的拉曼信号经过共聚焦显微镜系统和光纤返回拉曼光谱仪测量系统，获得KDP晶体的拉曼光谱信号，每个测量点重复测量光谱至少a次；采用洛伦兹双峰拟合KDP晶体各测量点处的拉曼光谱以获得对应的ν₁模拉曼频率，每个位置点ν₁模的拉曼频率取a次测量的平均值，KDP晶体ν₁模的拉曼频率取各个测量点结果的平均值；其中a≥5次。

优选的是，所述的激光器发射连续激光，激光能量波动≤4％，激光波长范围300nm-700nm。

优选的是，所述的显微共聚焦拉曼光谱仪的光谱分辨率≤1cm^-1，光谱重复性≤±0.05cm^-1；光谱测量范围涵盖800cm^-1～1100cm^-1。

优选的是，所述的升降台控制精度≦5μm，X、Y向控制精度≤1mm。

优选的是，所述的DKDP晶体晶体尺寸≥10mm×10mm，表面平整且经过抛光，晶体对测量光的透过率≥60％。

优选的是，所述步骤一包括以下过程：

步骤Ⅰ、激光器和拉曼光谱仪开机后，每间隔10分钟测量Si的一阶拉曼光谱，每次重复测量c次，c≥5，用洛伦兹函数拟合获得单晶Si的一阶拉曼峰频率，每个测量时间点Si的一阶拉曼峰频率取c次测量的平均值；观察Si的一阶拉曼峰频率随测量时间的变化，直至该拉曼频率不随测量时间变化为止；

步骤Ⅱ、重复测量Si的一阶拉曼光谱50次，用洛伦兹函数拟合各光谱获得单晶Si的一阶拉曼峰频率，评估测量系统的重复性；

步骤Ⅲ、再次对Si的一阶拉曼峰对拉曼光谱仪进行校准，使得Si的一阶拉曼峰频率为520.5cm^-1。

优选的是，所述方法采用的测量装置包括：激光器、与激光器连接的拉曼光谱仪、与拉曼光谱仪通过光纤连接的共聚焦显微镜、连接在共聚焦显微镜上的升降台、以及放置样品的二维移动平台；所述升降台和二维平移台均置于暗室中的减震光学平台上，周围无杂散光干扰；所述拉曼光谱仪与计算机连接；

其中，所述激光器发射的激光经过拉曼光谱仪光路耦合进光纤，激光经光纤导入共聚焦显微镜，经过共聚焦显微镜系统由物镜聚焦于样品表面及以下，激光激发的拉曼信号经过共聚焦显微镜系统和光纤返回拉曼光谱仪测量系统，获得拉曼光谱信号。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明的测量DKDP晶体氘含量均匀性的方法采用ν₁振动模拉曼频移作为表征DKDP晶体氘含量的参量，充分考虑了DKDP晶体材料表面氘含量衰减、仪器测量误差、数据处理误差及周围环境等因素的影响建立了系统精确的DKDP晶体氘含量测量方法。本发明的测量DKDP晶体氘含量均匀性的方法规范了测量步骤，提高了测量精度，实现了DKDP晶体氘含量均匀性的在线无损测量。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明的测量DKDP晶体氘含量均匀性的测量流程示意图；

图2为本发明的测量DKDP晶体氘含量均匀性的测量装置示意图；

图3为KDP晶体和DKDP晶体的拉曼光谱图，相对于KDP晶体，DKDP晶体ν1模的频率发生红移，1cm^-1代表约2.78％氘含量；

图4为根据本发明的测量方法测得的KDP晶体ν₁模频率；

图5为根据本发明的测量方法测得的DKDP晶体氘含量空间分布。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1：

本实施例采用的测量装置如图2所示，包括：激光器、与激光器连接的拉曼光谱仪、与拉曼光谱仪通过光纤连接的共聚焦显微镜、连接在共聚焦显微镜上的升降台、以及放置样品的二维移动平台；所述升降台和二维平移台均置于暗室中的减震光学平台上，周围无杂散光干扰；所述拉曼光谱仪与计算机连接；

其中，所述激光器发射的激光经过拉曼光谱仪光路耦合进光纤，激光经光纤导入共聚焦显微镜，经过共聚焦显微镜系统由物镜聚焦于样品表面及以下，激光激发的拉曼信号经过共聚焦显微镜系统和光纤返回拉曼光谱仪测量系统，获得拉曼光谱信号。

本实施例选取的激光器发射连续激光波长532nm，激光能量波动≤3％，拉曼光谱仪光谱分辨率为0.7cm^-1，升降台控制精度为2μm，二维移动平台X/Y向控制精度为100μm，晶体为传统生长的三倍频切型DKDP晶体，晶体尺寸为430mm×430mm×10mm，作为参考晶体KDP晶体采用传统法生长，为三倍频切型，晶体尺寸为330mm×330mm×12mm；KDP和DKDP晶体表面平整且匀经精细抛光，晶体在532nm波长下透过率≥90％；

一种测量DKDP晶体氘含量均匀性的方法，包括以下步骤：

步骤一、利用激光器产生连续激光，激光经光谱仪的显微镜物镜聚焦于二维平移台上的单晶Si片表面，利用Si的一阶拉曼峰对拉曼光谱仪进行校准，使测得的Si的一阶拉曼峰的标准峰位为520.5cm^-1；每间隔10分钟重复测量Si的一阶拉曼光谱，每次重复测量10次，用洛伦兹函数拟合获得单晶Si的一阶拉曼峰频率，每个测量时间点Si的一阶拉曼峰频率取重复测量的平均值；观察Si的一阶拉曼峰频率随测量时间的变化，直到该拉曼峰不随测量时间变化为止；重复测量Si的一阶拉曼光谱50次，用洛伦兹函数拟合各光谱获得单晶Si的一阶拉曼峰频率，测量系统的重复性为±0.02cm^-1；再次对Si的一阶拉曼峰进行校准，使得Si的一阶拉曼峰频率为520.5cm^-1；

步骤二、选取与被测DKDP晶体切型相同的KDP晶体一块，将KDP晶体置于二维平移台上，激光器发射的激光经过拉曼光谱仪光路耦合进光纤，激光经光纤导入共聚焦显微镜，经共聚焦显微镜物镜将测量光束聚焦于KDP晶体体内，在不同位置选取210个测量点测量KDP晶体的拉曼光谱，每个测量点重复测量光谱6次；采用洛伦兹双峰拟合KDP晶体各测量点处的拉曼光谱，获得对应的ν₁模拉曼频率，各位置点ν₁模频率取6次测量的平均值，KDP晶体ν₁模的频率取210个测量点ν₁模频率的平均值；图4为获得的KDP晶体各个测量点ν₁模的频率空间分布，可以看出KDP晶体ν₁振动模频率向沿o轴和e轴方向无明显变化趋势，ν₁振动模频率约为913.34cm^-1，该结果表明该测量方法具有较高的重复测量精度；

步骤三、将DKDP晶体置于二维平移台上，激光器发射的激光经过拉曼光谱仪光路耦合进光纤，激光经光纤导入共聚焦显微镜，经共聚焦显微镜物镜聚焦于晶体表面，分别沿X、Y方向移动DKDP晶体，观察晶体表面激光聚焦状态变化，若有变化则需适当调整晶体姿态使得激光焦斑无明显变化；

步骤四、在DKDP晶体中心和4个边角处共选取5个测量点，将测量光束聚焦于各测量点表面，在每个测量点调节共聚焦显微镜系统的升降台位置实现DKDP晶体由表及里不同深度的拉曼光谱测量，深度间隔10μm，观察ν₁模拉曼频率随测量深度的变化并记录ν₁模拉曼频率保持恒定时的深度d，取各测量点深度d中的最大值d_max作为该晶体氘含量均匀性测量时的激光聚焦深度；

步骤四、激光聚焦于DKDP晶体表面以下d_max深度，间隔2cm分别沿X、Y方向移动晶体并测量对应位置的拉曼光谱，共测量324点，每个位置点重复测量至少6次，采用洛伦兹三峰拟合DKDP晶体各测量点处的拉曼光谱以获得对应的ν₁模拉曼频率，每个测量点ν₁模的频率取6次测量的平均值；

步骤五、根据测得的KDP晶体DKDP晶体ν₁模的拉曼频率计算该DKDP晶体各测量点处的氘含量，结果如图5所示，该DKDP晶体沿o轴方向氘含量基本保持稳定(62.68％±0.01％)，沿e轴方向氘含量随位置逐渐变化，氘含量偏差约为0.16％。

实施例2：

本实施例与实施例1的实施方式基本相同，主要区别在于，DKDP晶体为采用“点”籽晶快速法生长获得，晶体尺寸为50mm×50mm，测量点间隔2mm，共测量400个点，晶体在532nm波长下透过率≥80％。与实施例1中的结果相比“点”籽晶快速法生长的DKDP晶体氘含量均匀性较差。

实施例3：

本实施例与实施例1的实施方式基本相同，主要区别在于，激光器发射激光波长为355nm；晶体在355nm波长下透过率≥85％，采用355nmde紫外波长激发时拉曼散射截面较大，入射激光功率低于实施例1中532nm时的激光功率，且该测量方式得到的结果和实施例1得到的结果相同。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种测量DKDP晶体氘含量均匀性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、利用激光器产生连续激光，激光经过拉曼光谱仪光路耦合进光纤，激光经光纤导入共聚焦显微镜，经共聚焦显微镜物镜聚焦于二维平移台上的单晶Si片表面，激光激发的拉曼信号经过共聚焦显微镜和光纤返回拉曼光谱仪测量系统，利用Si的一阶拉曼峰对拉曼光谱仪进行校准，并考察测量系统的重复性；

步骤二、将DKDP晶体置于二维平移台上，激光器发射的激光经过拉曼光谱仪光路耦合进光纤，激光经光纤导入共聚焦显微镜，经共聚焦显微镜物镜聚焦于晶体表面，分别沿X、Y方向移动DKDP晶体，观察晶体表面激光聚焦状态变化，若有变化则需适当调整晶体姿态使得激光焦斑无明显变化；

步骤三、在DKDP晶体中心和4个边角处共选取5个测量点，在每个测量点调节共聚焦显微镜系统的升降台位置实现DKDP晶体由表及里不同深度的拉曼光谱测量，深度间隔≤10μm，观察ν₁模拉曼频率随测量深度的变化并记录ν₁模拉曼频率保持恒定时的深度d，取各测量点深度d中的最大值d_max作为该晶体氘含量均匀性测量时的激光聚焦深度；

步骤四、激光聚焦于DKDP晶体表面以下d_max深度，按照一定的间隔分别沿X、Y方向移动晶体并测量对应位置的拉曼光谱，测量点数≥100，每个位置点重复测量至少b次，采用洛伦兹三峰拟合DKDP晶体各测量点处的拉曼光谱以获得对应的ν₁模拉曼频率，每个测量点ν₁模的频率取b次测量的平均值，其中b≥5；

步骤五、根据测得的DKDP晶体ν₁模的拉曼频率计算该DKDP晶体各测量点处的氘含量，进而获得该DKDP晶体氘含量的最大偏差及氘含量随晶体位置的变化。

2.如权利要求1所述的测量DKDP晶体氘含量均匀性的方法，其特征在于，还包括：选取与被测DKDP晶体切型相同的KDP晶体一块，将KDP晶体置于二维平移台上，激光器发射的激光经过拉曼光谱仪光路耦合进光纤，激光经光纤导入共聚焦显微镜，经共聚焦显微镜物镜聚焦于KDP晶体的体内，在晶体不同位置至少选取5个测量点测量，激光激发的拉曼信号经过共聚焦显微镜系统和光纤返回拉曼光谱仪测量系统，获得KDP晶体的拉曼光谱信号，每个测量点重复测量光谱至少a次；采用洛伦兹双峰拟合KDP晶体各测量点处的拉曼光谱以获得对应的ν₁模拉曼频率，每个位置点ν₁模的拉曼频率取a次测量的平均值，KDP晶体ν₁模的拉曼频率取各个测量点结果的平均值；其中a≥5次。

3.如权利要求1所述的测量DKDP晶体氘含量均匀性的方法，其特征在于，所述的激光器发射连续激光，激光能量波动≤4％，激光波长范围300nm-700nm。

4.如权利要求1所述的测量DKDP晶体氘含量均匀性的方法，其特征在于，所述的显微共聚焦拉曼光谱仪的光谱分辨率≤1cm^-1，光谱重复性≤±0.05cm^-1；光谱测量范围涵盖800cm^-1～1100cm^-1。

5.如权利要求1所述的测量DKDP晶体氘含量均匀性的方法，其特征在于，所述的升降台控制精度≤5μm，X、Y向控制精度≤1mm。

6.如权利要求1所述的测量DKDP晶体氘含量均匀性的方法，其特征在于，所述的DKDP晶体晶体尺寸≥10mm×10mm，表面平整且经过抛光，晶体对测量光的透过率≥60％。

7.如权利要求1所述的测量DKDP晶体氘含量均匀性的方法，其特征在于，所述步骤一包括以下过程：

步骤Ⅰ、激光器和拉曼光谱仪开机后，每间隔10分钟测量Si的一阶拉曼光谱，每次重复测量c次，c≥5，用洛伦兹函数拟合获得单晶Si的一阶拉曼峰频率，每个测量时间点Si的一阶拉曼峰频率取c次测量的平均值；观察Si的一阶拉曼峰频率随测量时间的变化，直至该拉曼频率不随测量时间变化为止；

步骤Ⅱ、重复测量Si的一阶拉曼光谱50次，用洛伦兹函数拟合各光谱获得单晶Si的一阶拉曼峰频率，评估测量系统的重复性；

步骤Ⅲ、再次对Si的一阶拉曼峰对拉曼光谱仪进行校准，使得Si的一阶拉曼峰频率为520.5cm^-1。

8.如权利要求1所述的测量DKDP晶体氘含量均匀性的方法，其特征在于，所述方法采用的测量装置包括：激光器、与激光器连接的拉曼光谱仪、与拉曼光谱仪通过光纤连接的共聚焦显微镜、连接在共聚焦显微镜上的升降台、以及放置样品的二维移动平台；所述升降台和二维平移台均置于暗室中的减震光学平台上，周围无杂散光干扰；所述拉曼光谱仪与计算机连接；

其中，所述激光器发射的激光经过拉曼光谱仪光路耦合进光纤，激光经光纤导入共聚焦显微镜，经过共聚焦显微镜系统由物镜聚焦于样品表面及以下，激光激发的拉曼信号经过共聚焦显微镜系统和光纤返回拉曼光谱仪测量系统，获得拉曼光谱信号。