非线性晶体材料

2021-02-24 17:05:45 浏览:286

定义

通常体现为x(2)形式,表现出光学非线性特性的晶体材料。

透明晶体材料能表现出许多不同的光学非线性特性,这些非线性特性与晶体材料的非线性极化有关。例如,一个具有x(2)形式非线性特性的材料被主要用作参量非线性频率转换(例如,在倍频器和光参量振荡器中),这种具有x(2)形式非线性特性的材料还被作用光电调制器,然而具有x(3)形式的非线性特性导致克尔效应,拉曼效应和四波混频。从本质上来讲,以上所有情况采用的是人造晶体(而不是自然发生的事件)。

选择非线性晶体的相关因素

非线性晶体的许多不同的特性在应用中是非常重要的,例如在非线性频率转换中: 非线性晶体的色散和双折射特性决定了非线性晶体可以用于相位匹配和相位匹配带宽,角谱宽度(临界相位匹配的角谱宽度)等。  有效非线性系数 的大小取决于非线性张量部分和相位匹配类型,有效非线性系数的大小很重要,尤其当可达到的光强较低时。 通常,晶体材料应该对所有波段具有高的透光度。 其他相关特性:  材料的电势周期性极化以达到准相位匹配。  线性吸收,在高光功率值下能引起加热,因此相位匹配被打破,热透镜效应发生。 抗光学损伤,灰度追踪,光暗化效应,包含绿光的红外吸收,诸如此类。  抗光折变效应(通常被称为光折变损伤,尽管通常光折变损伤是可逆的)。  高质量、大尺寸和高性价比的非线性晶体是否易获取。 在非线性晶体上制造高质量的抗反射膜的容易性 — 抗化学腐蚀性;例如,一些晶体材料是易潮湿的,其他材料在真空室中应用电介质镀膜时容易发生化学变化

为某一应用需求而选择最合适的晶体材料非常重要,选择合适的晶体材料需要考虑很多方面。例如,如果相互作用长度被大的群速度失配和由低损伤阈值引起低的可用光强度强烈地限制,超短脉冲的频率转换的高非线性特性将会不起作用。同样,由于非临界相位匹配通常涉及在一个温度稳定的晶体恒温箱中对晶体的操作,在室温下能临界相位匹配的晶体材料是很符合需要的。

常用非线性晶体材料

铌酸锂(LiNbO3)和钽酸锂(LiTaO3)是具有相对较强的非线性特性的材料。它们通常用作非线性频率转换和电光调制。这两种材料都可以以一致形式和化学计量形式使用,这两种形式在周期极化和光折变效应(如下所述)具有很大的不同。在周期性极化的情况下,铌酸锂(LiNbO3)和钽酸锂(LiTaO3)是常用的材料;产生材料分别被称为PPLN(周期极化铌酸锂)和PPLT(周期极化钽酸锂),或在化学计量形式下被称为PPSLN和PPSLT。两种晶体均具有相对较低的损伤阈值,但由于非线性效应,在高光强下不要使用。它们趋向于产生光折变效应,这对频率转换是不利的,但对如在掺杂铁的铌酸锂晶体中进行全息信息存储是有用的。这种趋势对 “光折变损伤”的影响很大程度上取决于材料组分;例如,通过氧化镁(MgO)掺杂和采用理想配比组分,光折变损伤能够被减少。

图 1 块状的硼酸锂及其切块,图由EKSMA OPTICS提供。 

图 2 KD*P晶体,包括一个很大块的。图由EKSMA OPTICS提供。

铌酸钾(KNbO3)具有很高的非线性特性。它被用于如倍频蓝光波段的光波和压电式应用。 磷酸氧钛钾(KTP, KTiOPO4)可以是热熔制备的(更便宜)或水热法(适用于高能量且低灰度跟踪→光暗化效应)获得。 “KTP家族”材料包括KTA (KTiOAsO4),RTP (RbTiOPO4) 和 RTA (RbTiAsPO4)。这些材料趋向于具有相对较高的非线性特性且适用于周期性极化。 磷酸二氢钾(KDP, KH2PO4)和磷酸二氘钾(KD*P or DKDP, KD2PO4,展现出延展的红外传输)适用于低价格大尺寸的非线性晶体。它们展现出好的大体积均匀性且具有一个高的损伤阈值,但是它们具有吸湿性且有非线性系数低。

有许多种硼酸盐,最重要的一种是硼酸锂(LiB3O5 = LBO),硼酸铯锂(CLBO, CsLiB6O10),β-硼酸钡(β-BaB2O4 = BBO, 很强地吸湿的, 常被用在普克尔盒),三硼酸铋(BiB3O6 = BIBO),和硼酸铯(CSB3O5 = CBO)。硼酸氧钙钇(YCOB) 和 YAl3(BO3)4(YAB)同样适用于激光器增益介质中的稀土掺杂的结构,且能够同时被用于产生频率转换的激光。较少使用的有硼酸锶铍(Sr2Be2B2O7 = SBBO)和K2Al2B2O7 (KAB)。LBO, BBO, CLBO, CBO和其他硼酸盐晶体适用于产生相对较短波长的光波,如在绿光和蓝光激光光源中,也适用于产生紫外光波(如紫外激光器),这是因为这些硼酸盐的能带间隙较大,晶体对紫外线具有抵抗能力,有合适的相位匹配选项。硼酸盐如LBO 和BBO同样适用于宽带可调谐光学参量振荡器和光学参量啁啾脉冲放大器。

为产生中红外(部分也称为太赫兹),需要透明波段范围延伸至红外光谱区域的晶体材料。这些截止材料中最重要的是二磷酸锗锌(ZGP, ZnGeP2),硫化镓银河硒化镓银(AgGaS2 and AgGaSe2),硒化,和硒化镉(CdSe)。砷化镓(GaAs)在中红外应用中也是有用的,这是因为光图定向的砷化镓能够获得准相位匹配[13, 21]

非线性晶体的寿命

在许多情况下,用于非线性频率转换的非线性晶体具有很长的使用寿命,寿命比整个激光器的寿命还要长。晶体在使用过程中基本不会被改变。然而,晶体寿命降低能发生在各种情形下:如在非线性频率转换中:

1、操作过程中过高的光强度将会顷刻间损坏晶体。不幸的是,为了达到足够高的转换效率,非线性晶体经常需要在接近它们的光学损耗阈值附近运行。这意味着在转换效率和晶体寿命间的一个权衡。需要注意的是,即使标称的强度低于象征性损伤阈值,可能仍存在问题。这些问题是由于波束强度或局部强度(如一个波束轮廓具有一个“突变点”),或由于晶体内部孤立的瑕疵。这些瑕疵相较于常规晶体材料更敏感。

2、即使为防止瞬间损耗,晶体远低于阈值运行,一些晶体材料在一些使用的部分展现出持续的退化,例如,以“灰度追踪”的形式退化。这种现象在晶体运行在紫外光波段运行时尤其常见。值得注意的是,逐渐的退化会积累热量,过热的产生能瞬间引起灾难性的损伤。

3、当吸湿的晶体材料不能保持在足够干燥的空气(或干燥的惰性气体)中时,它们会恶化。这种晶体应用于KDP和BBO,在LBO中使用较少。保持这种晶体处在一个较高的温度是有帮助的,较高的温度使这种晶体容易保持干燥。

4、为了达到相位匹配,使非线性晶体在低于室温的温度下运行通常是有问题的,因为如果周围空气不是很干燥的话,那样可能引起水冷凝在晶体表面。即使晶体材料或涂层对水不敏感,相较于通常情况,微小的水滴会将激光的聚焦得更厉害,从而损伤晶体材料。

5、当温度快速变化或频繁变化的时候,在晶体恒温箱中的非临界相位匹配晶体会出现问题。尤其地,抗反射膜会由于不同的材料膨胀系数而被损伤。

尽管退化现象好像是材料的本质上的限制,晶体寿命很大程度上依赖于材料质量。

为产生高功率紫外线,非线性晶体会变成消耗品:它们在激光器系统(例如,每运行几百小时)的寿命过程中需要被经常更换。常常,几个问题性因素在紫外产生体系中一起出现:晶体材料通常对紫外光(具有高的光子能量)更敏感,在该体系中展示出更高的吸收率,在超短脉冲情况下,高的群速度失配需要使用更短的晶体,更短的晶体在转换效率不变的情况下需要更高的光强度。

超薄非线性晶体

在一些应用中,具有较小的厚度如低于1毫米的非线性晶体会被使用。当采用这种晶体时,最小化群速度失配是必须的,例如最小化在光学自相关器中的极短脉冲的群速度失配。

获得超薄晶体的常规方法是首先用一些基底(例如,石英玻璃)光学接触一个较厚的非线性晶体,然后磨光晶体至需要的厚度(如20微米)。在较厚基底材料中的群速度失配是无关紧要的,因为非线性交互作用仅发生在较薄的晶体材料中。基底仅仅用来机械地稳定较薄的非线性晶体。

制造无需支撑物的厚度在100微米的晶体是可行的,有时候制造无需支撑物的厚度低于30微米的晶体也是可行的。

参考文献

[1] R. S. Craxton et al., “Basic properties of KDP related to the frequency conversion of 1 μm laser radiation”, IEEE J. Quantum Electron. 17 (9), 1782 (1981)
[2] C. Chen et al., “New nonlinear-optical crystal: LiB3O5”,J. Opt. Soc. Am. B 6 (4), 616 (1989)
[3] C. Chen et al., “A new-type ultraviolet SHG crystal β-BaB2O4”, Sci. Sin. (Ser. B) 28, 235(1985)
[4] J. D. Bierlein and H. Vanherzeele, “Potassium titanyl phosphate: properties and new applications”, J. Opt. Soc. Am. B 6 (4), 622 (1989)
[5] S. Lin et al., “The nonlinear optical characteristics of a LiB3O5 crystal”,J. Appl. Phys. 67 (2), 634 (1990)
[6] R. C. Eckardt et al., “Absolute and relative nonlinear optical coefficients of KDP, KD*P, BaB2O4, LiIO3, MgO:LiNbO3, and KTP measured by phase-matched second-harmonic generation”, IEEE J. Quantum Electron. 26 (5), 922 (1990)[7] D. N. Nikogosyan, “Beta barium borate (BBO), a review of its properties and applications”, Appl. Phys. A 52, 359 (1991)
[8] S. P. Velsko et al., “Phase-matched harmonic generation in lithium triborate (LBO)”,IEEE J. Quantum Electron. 27 (9), 2182 (1991)
[9] C. Chen et al., “Design and synthesis of an ultraviolet-transparent nonlinear optical crystal Sr2Be2B2O7”, Nature 373, 322 (1995)
[10] Y. Wu et al., “CsB3O5: a new nonlinear optical crystal”, Appl. Phys. Lett. 62, 2614 (1993)
[11] D. N. Nikogosyan, “Lithium triborate (LBO). A review of its properties and applications”, Appl. Phys. A 58, 181 (1994)
[12] Y. Mori et al., “New nonlinear optical crystal: cesium lithium borate”, Appl. Phys. Lett. 67, 1818 (1995)
[13] S. J. B. Yoo et al., “Wavelength conversion by difference-frequency generation in AlGaAs waveguides with periodic domain inversion achieved by wafer bonding”,Appl. Phys. Lett. 68, 2609 (1996)
[14] I. Shoji et al., “Absolute scale of second-order nonlinear-optical coefficients”, J. Opt. Soc. Am. B 14 (9), 2268 (1997)
[15] T. Iwai et al., “Crystal growth and optical characterization of rare-earth (Re) calcium oxyborate ReCa4O(BO3)3 (Re = Y or Gd) as new nonlinear optical material”, Jpn. J. Appl. Phys. 36, L276 (1997)
[16] H. Hellwig et al., “Exceptional large nonlinear optical coefficients in the monoclinic bismuth borate BiB3O6”, Solid State Commun. 109, 249 (1998)
[17] Z.-G. Hu et al., “A new nonlinear optical borate crystal K2Al2B2O7 (KAB)”, Jpn. J. Appl. Phys. 37, L1093 (1998)
[18] N. Ye et al., “New nonlinear optical crystal K2Al2B2O7”,J. Opt. Soc. Am. B 17 (5), 764 (2000)
[19] P. Kumbhakar and T. Kobayashi, “Nonlinear optical properties of Li2B4O7 (LB4) crystal for the generation of tunable ultra-fast laser radiation by optical parametric amplification”, Appl. Phys. B 78, 165 (2004)
[20] M. Katz et al., “Vapor-transport equilibrated near-stoichiometric lithium tantalate for frequency-conversion applications”, Opt. Lett. 29 (15), 1775 (2004)
[21] T. Skauli et al., “Measurement of the nonlinear coefficient of orientation-patterned GaAs and demonstration of highly efficient second-harmonic generation”,Opt. Lett. 27 (8), 628 (2002)
[22] Li Wang and Y. Men, “Comparison study of CsLiB6O10 and β-BaB2O4 as nonlinear media for optical parametric oscillators”, Appl. Opt. 42 (15), 2720 (2003)
[23] M. Ghotbi and M. Ebrahim-Zadeh, “Optical second harmonic generation properties of BiB3O6”, Opt. Express 12 (24), 6002 (2004)
[24] S. V. Tovstonog et al., “Thermal effects in high-power CW second harmonic generation in Mg-doped stoichiometric lithium tantalate”, Opt. Express 16 (15), 11294 (2008)
[25] H. Ishizuki and T. Taira, “Mg-doped congruent LiTaO3 crystal for large-aperture quasi-phase matching device”, Opt. Express 16 (21), 16963 (2008)
[26] D. N. Nikogosyan, Nonlinear Optical Crystals: A Complete Survey, Springer, Berlin (2005)

参阅:非线性频率转换、倍频、有效非线性系数、紫外激光、光参量振荡器、周期性极化、相位匹配、双折射相位匹配、准相位匹配、光图定向半导体、光电调节器、普克尔盒、晶体恒温箱

非线性光学

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