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非线性晶体介绍

作者: 时间:2021-04-29

自从1960年美国科学家Maiman发明了世界第一台红宝石激光器以后,人们便意识到非线性光学是可以被观察到的。由于激光的光场或电场足够强,比如达到1KV/cm,电场与物质发生作用的时候,非线性现象就无法被忽略。1961年,Franken等利用红宝石激光器照射石英晶体,在光谱上发现了一个很弱的二倍频的斑点,首次证实了二倍频的产生。正是借助激光足够强的光频电场,非线性光学得以产生和发展。

激光的出现使得非线性光学效应有了实际应用的可能,非线性效应同时也受到激光强度密度的影响。非线性光学技术的应用拓宽了激光光谱的范围,从而成为一种新的波长激光的获取手段。要实现非线性光学效应,那么就要有可用的非线性介质,能够实现光波的相位匹配。

伴随着激光技术发展至今,非线性介质也得到长足的发展。非线性晶体发展趋势很好,受到国家高度重视。根据目前常用的两种相位匹配技术二次折射相位匹配(BPM)和准相位匹配(QPM),可以将介质分为非线性晶体和周期极化晶体。周期极化晶体是在非线性晶体中制备出周期结构。

现有的非线性晶体有上百种,常见的有铌酸锂(LiNbO3—LN)、钽酸锂(LiTaO3LT)、磷酸二氢钾(KH2PO4—KDP)、磷酸二氘钾(KD2PO4—DKDP)、碘酸锂(LiIO3—LI)、磷酸氧钛钾(KTiOPO4—KTP)、偏硼酸钡(BaB2O4—BBO)、三硼酸锂(LiB3O5—LBO)、铌酸钾(KNbO3—KN)、硼酸铯(CSB3O5—CBO)、硼酸铯锂(LiCSB6O10—CLBO)、氟硼酸钾铍(KBe2BO3F2—KBBF)以及硫银镓(AgGaS2—AGS)、硒镓银(AgGaSe2AGSe)、砷镉锗(CdGeAs—CGA)、硒化镉CdSe、硒化镓GaSe、磷锗锌(ZnGeP2—ZGP)等,广泛应用于激光倍频、和频、差频、光参量放大以及电光调制、电光偏转等。

χ (2)非线性的介质主要用于参量非线性频率转换(例如在倍频器和光学参量振荡器中)和电光调制器,而χ (3)非线性则导致Kerr效应,拉曼效应和四波混频。基本上都使用人造晶体,而不是天然的。


常用非线性光学晶体


种类

特点

应用

铌酸锂晶体(LN晶体)

非线性较强,具有420 nm5.2 µm的宽透明范围,并具有出色的非线性,电光和压电特性

> 1 µm波长的非线性频率转换以及电光调制器

钽酸锂晶体(LT晶体)

化学性能稳定高,介电损耗低,探测率优值高,非常好的电光、压电和焦热电性能

热释电红外探测器应用材料,谐振器、滤波器、换能器等

周期极化铌酸锂晶体(PPLN晶体)

非线性d-系数高、无走离特性,损伤阈值相对较低

广泛应用于非线性频率变换中器件中,生物学,材料分析,飞秒激光,太赫兹等

周期性化学计量比钽酸锂晶体(PPSLT晶体)

损伤阈值高,高非线性系数,高热导率

适合可见光产生应用,尤其是高功率绿光产生

磷酸氧钛钾晶体(KTP)晶体

高非线性,高机械稳定性,高光学质量以及350 nm-4.5 µm的透明范围

适合于周期性极化,掺钕激光器的中低功率倍频,非线性OPO介质

周期极化磷酸氧钛钾晶体(PPKTP晶体)

支持KTP透明度范围内的所有非线性应用;

没有KTP的相位匹配限制;相较于KTP,有效非线性系数大3

1064nm946nm的倍频 (SHG)器件,OPO器件等

磷酸二氢钾晶体(KDP晶体)

优异的紫外线透射率,高激光损伤阈值,非线性相对较低,可以大尺寸生长,高吸湿性

掺钕激光器的倍频器,三倍频器和四倍频器

钛:蓝宝石,翠绿宝石,钕掺杂激光器的Q开关

铌酸钾晶体(KN晶体)

很高的非线性,透明范围宽(0.45 mm),不受光折射效应影响

电光学和非线性光学,激光二极管的光折变应用,近红外中的动态全息和光学相位共轭

光波导,光学二次谐波产生(SHG),倍频器

砷酸钛氧钾晶体(KTA晶体)

良好的非线性光学和电光特性,在2.0-5.0 µm的波段范围内吸收显着降低,角度和温度带宽宽,介电常数低

用于中红外生成的OPO –高达4 µm;中红外范围内的总和和差频生成;电光调制和调Q

磷酸钛氧铷晶体(RTP晶体)

透明范围广;稳定的机械和化学性能;高损伤阈值,高温稳定性,低半波电压,适用于高频操作

电光调制器,电光Q开关

三硼酸锂晶体(LBO晶体)

宽的透射带、良好的紫外透过率、微潮解、良好的物理化学性质、中等的非线性光学系数、良好的光学均匀性、高的损伤阈值、大的允许角和小的走离角

高功率近红外波长二次谐波生成,和频生成以产生可见的紫外激光,以及可见的近红外广泛调谐的光学参量振荡器

硼酸铯锂晶体(CLBO晶体)

有足够大的非线性系数、短的吸收边、大的角度、光谱和温度带宽等非线性光学特性

非常适合于二阶和高阶谐波的产生,是制备紫外和深紫外全固态激光器的优良材料。用CLBO四倍频的YAG激光器,266nm紫外光输出已达42瓦。

偏硼酸钡晶体(BBO晶体)

高非线性光学系数,低群速度色散,宽广的透明度范围(189–3500 nm)和高损伤阈值,在紫外线范围内具有最高的非线性

脉冲掺Yb晶体激光器的谐波产生和倍频、Ti:蓝宝石激光器的三倍频、可广泛调谐的I型和IIOPO

氧硼酸钇钙晶体(YCOB晶体)

非线性光学系数相当于BBO晶体和LBO晶体,二阶和三阶有效倍频系数分别达到KDP2.81.4倍,孔径大、飞秒区损伤强度高、理化性能稳定、加工性能良好

紫外波段光学倍频器

磷化锗锌晶体(ZGP晶体)

红外晶体中最大的非线性系数,有效的透射范围为2 µm12 µm,相对较高的伤害阈值,o波在〜2,1 µm时的标称吸收系数<0.04 cm -1

CO 2CO激光器基波的谐波产生;通过OPODFG技术产生MWIRLWIR范围内的连续可调辐射;太赫兹范围频率的产生

硒化银镓晶体(AGSe晶体)

0.7318 µm的透射范围内均具有出色的性能;低光吸收和散射;高FOM(品质因数),用于NIRMIR中的非线性相互作用

红外区域内的频率混合为4,018,3 µmCO 2激光器的二次谐波产生和上变频;用于固态激光器的可调OPO,效率高达10

硫镓银晶体(AGS晶体)

0.512 µm的透射范围内具有独特的非线性特性;低光吸收和散射;短波长的透明度

中间IR区域的混频范围为4,018,3 µmCO 2激光器的二次谐波产生和上变频;适用于固态激光器的可调式OPO

硒化镓晶体(GaSe晶体)

GaSe非常柔软,因此无法进行抛光或镀膜;透明范围:900-16000 nm;只能沿(001)切割;由于高折射率和可用的方向限制,只能使用小Theta角;AGSAGSe的较便宜替代品

大功率飞秒激光器;太赫兹(THz)产生;产生宽带中红外(MIR)电磁波的替代解决方案;对于COCO 2等激光器,2次谐波产生(SHG)的中红外(MIR;光学参数生成(OPG)在3 – 16 µm之内。

硒化镉晶体(CdSe晶体)

低光吸收;宽带特定传输范围:2.5μm16μm

DFGOPO方案产生的远红外波长辐射;红外光学元件的材料:基板,偏振片,波片等

非线性晶体性能

对于非线性光学晶体而言,除了要具备较大的有效非线性系数,还要有以下性能:

1、通常,对于所涉及的波长,晶体应具有较高的透明度;

2、内部吸收要低,抗损伤阈值要高;

3、物化性能稳定、硬度适中、不潮解;

4、晶体质量稳定,尺寸大,价格合理,易镀膜。

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