光学晶体 Optical crystals

2022-11-04 11:29:05 浏览:271

定义

用于光学应用的晶体,通常是单晶,通常具有抛光端面。

光学材料种类繁多,用于不同的光学领域。 作为透明材料,人们经常使用光学玻璃,但对于各种应用,由于其特殊性能,需要光学晶体材料 - 主要是单晶材料:

  • 与玻璃相比,晶体可以表现出双折射,这是各种类型的偏振器,波片,双折射调谐器和其他光学元件的要求。 常用的双折射晶体材料是石英、方解石和蓝宝石。
  • 晶格对称性不太高的晶体材料(例如三角形、四方晶系或单斜晶系)可以表现出χ(2) 非线性。 这主要用于非线性频率转换,但也用于光调制器(例如Pockels单元)。
  • 虽然声光调制器的材料通常不需要是晶体,但在某些情况下使用声光晶体,例如用于双折射至关重要的声光可调谐滤波器。
  • 其他晶体用作拉曼晶体。 在这里,人们利用受激拉曼散射,主要用于非线性频率转换。
  • 多种晶体材料可用作激光晶体,即作为激光活性掺杂剂(稀土离子或过渡金属离子)的主体材料。 与激光主动玻璃相比,它们通常表现出相对较高的跃迁横截面、较小的增益带宽和良好的热传导。 通常,它们还允许更高的掺杂浓度。 双折射在某些情况下也很有用,例如用于避免去极化损耗。
  • 在某些情况下,晶体材料用于玻璃没有足够宽的波长范围和高透射率的光谱区域。 特别是硫化锌、硒化锌和蓝宝石等各种材料用作红外晶体,氟化锂、氟化钙和氟化镁等其他材料用作紫外线晶体。
  • 晶体材料通常更高的导热性也与某些应用有关,例如最小化热透镜效应。 在某些情况下,热传导甚至是光学晶体的主要目的;例如,有金刚石散热器。
  • 某些晶体材料(例如铽-镓石榴石)中的法拉第效应(磁场诱导极化旋转)用于法拉第旋转器和法拉第隔离器。
  • 一些晶体材料中的热释电效应在热释电探测器中得到利用。
  • 某些材料可用于闪烁体晶体来检测辐射。

大多数光学晶体是绝缘(电介质)材料,在可见光谱区域具有宽带隙和非常低的吸收。 然而,也有半导体用作光学晶体,例如作为红外晶体,其中可见光区域的强烈吸收无关紧要。

光学晶体由各种几何形状制成,包括简单的长方体,但也包括圆柱体和其他具有曲面的形状。 晶体的一种特殊形式是单晶光纤,通常具有长度到直径的极端无线电。

光学晶体的各个方面

制造;晶格取向

单晶材料的生长需要特殊的方法,这些方法实施起来很精细,通常会导致低生长速率。

在大多数情况下,光学晶体是单晶,即,除了一些集中的晶格缺陷外,它们在整个大块中表现出均匀的晶格。 这种均匀取向通常不能实现,例如简单地通过冷却熔融材料(如光学玻璃),因为这通常会导致大量具有不同晶格取向的晶域。 相反,人们需要采用特殊的晶体生长技术,如柴可拉斯基方法或布里奇曼-斯托克巴格技术。 通常,提供小的单晶晶种,并且优化生长条件,使得所有添加的材料仅延伸晶种的晶格而不是形成新的结构域。 在大多数情况下,生长速率需要保持在相当低的水平,否则无法获得足够高的晶体材料质量。

在许多情况下,所用原材料的纯度必须相当高——远高于常用光学玻璃。

对于应用,通常需要保证晶格的适当方向,例如相对于光束的传播方向或端面。 这是制造过程的另一个复杂性,如果晶体生长过程尚未充分确定取向,则可能必须采用X射线衍射等方法来准确确定晶体取向。

显然,材料纯度的解释,精心控制的生长条件和晶格取向的观察导致制造成本在大多数情况下大大高于玻璃材料。

传播损耗

与玻璃相比,光在晶体材料中的传播损耗通常相当低。 这部分是由于高材料质量(例如吸收杂质浓度低),部分是由于均匀的晶格,避免了玻璃密度波动时不可避免的瑞利散射。

低传播损耗不仅对于最大化透射率很重要,而且对于最小化热效应也很重要,例如在高功率激光应用中。

热性能

通常,晶体材料比玻璃等非晶材料表现出更高的导热性。 这主要是因为声子(晶格振动的量子)可以在晶体中长距离传播,而它们在无定形介质中会受到大量散射。 高导热性可最大限度地减少温度梯度,从而最大限度地减少光学效应,例如在晶体中沉积大量热量的情况下的热透镜。

许多晶体材料表现出基本上各向异性的热膨胀,即在加热时,它们在某些方向上的膨胀比其他方向更大。 当端面需要配备介电涂层时,这一点尤其重要。 由于后者通常表现出各向同性的热膨胀,因此不可能将膨胀系数与任何选择的涂层材料完全匹配。 因此,某些涂层晶体应仅暴露于有限的温度循环中,否则可能会损坏介电涂层。 当在显著升高的工作温度下使用非临界相位匹配时,这对于非线性晶体材料尤其重要。

基础光学

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