铒掺杂KDP晶体的化学组成与非线性光学性能增强研究

本研究针对提升非线性光学晶体性能的关键问题，通过铒掺杂KDP晶体（KH2PO4）实现了二次谐波生成（SHG）效率的突破。研究人员采用温度梯度法生长含0.00112-0.0037 mol% Er(NO3)3的KDP单晶，发现0.0023 mol%掺杂浓度下SHG效率达纯晶体的2.1倍，为激光光学系统提供了新型高效变频材料。

　　

在激光技术领域，如何提升非线性光学晶体的变频效率始终是核心挑战。作为经典变频材料的磷酸二氢钾（KDP）晶体，虽可通过金属离子掺杂调控性能，但传统二价/三价金属离子往往损害晶体完整性。稀土元素铒（Er）因其独特的4f电子跃迁特性，在发光和能量转移方面展现出巨大潜力，却从未被应用于KDP晶体改性。这一空白激发了越南国立大学胡志明市分校自然科学大学光学与光子学实验室的研究兴趣。

研究团队创新性地选择硝酸铒（Er(NO₃)₃）作为掺杂源，通过精密控制的降温法培育出沿II类相位匹配角（59°）定向生长的掺杂晶体。区别于常规金属离子对晶体结构的破坏性影响，Er³⁺离子通过取代K⁺位点和间隙掺杂，在引发晶格畸变的同时，其丰富的能级结构（如⁴I_15/2→⁴I_{13/sub>跃迁）显著增强了晶体的辐射跃迁概率。这种"缺陷工程"与"光子管理"的协同效应，最终实现了非线性光学性能的突破性提升。}

关键技术包括：采用能量色散X射线谱（EDX）定量分析铒分布，维氏硬度仪和数字密度计测定机械性能，X射线衍射（XRD）解析晶体结构变化，并结合紫外-可见光谱、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和光致发光光谱（PL）系统评估光学特性。通过II类相位匹配条件下的SHG效率测试，验证了掺杂晶体的实际应用价值。

【化学组成】EDX光谱证实所有掺杂样品均存在1.09-1.643 keV的特征铒峰，原子百分比随溶液浓度递增，最高达0.0037 mol%，证明铒成功进入晶格。

【物理性能】掺杂导致晶体密度（从2.342降至2.338 g/cm³）和硬度（从109.2降至105.4 HV）轻微下降，归因于Er³⁺（0.89 ?）与K⁺（1.33 ?）的半径差异引发的点缺陷。

【晶体结构】XRD显示掺杂后晶胞体积缩小，NO₃^-取代H₂PO₄^-导致（200）面间距减小，证实离子替代与间隙掺杂并存机制。

【光学特性】紫外光谱在220-300 nm出现新吸收带，对应Er³⁺的4f-4f跃迁；PL光谱检测到540 nm（⁴S_3/2→⁴I_15/2）和656 nm（⁴F_9/2→⁴I_15/2）发射峰，证实能量转移增强。

【SHG性能】0.0023 mol%掺杂晶体展现最高SHG效率（纯晶体2.1倍），归因于Er³⁺促进π电子离域和双光子吸收过程优化。

该研究首次揭示稀土掺杂KDP晶体的"缺陷-性能"调控规律，突破传统金属离子改性的局限性。通过铒的特异性掺杂，在可控结构畸变范围内实现非线性光学系数的显著提升，为开发新一代激光变频器件提供理论依据和材料基础。特别值得注意的是，最佳掺杂浓度（0.0023 mol%）的发现，为后续研究提供了精确的工艺窗口。这项工作发表在《Optical Materials》期刊，标志着稀土元素在非线性光学晶体工程中的应用取得重要进展。