固體激光材料與非線性光學(xué)功能材料詳解演示文稿

固體激光材料與非線性光學(xué)功能材料詳解演示文稿本文檔共138頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分優(yōu)選固體激光材料與非線性光學(xué)功能材料本文檔共138頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分激光與激光器（1）激光產(chǎn)生的原理

固體激光器本質(zhì)上也是滿足一定特殊條件的發(fā)光固體。激光晶體也包括一種晶體材料作基質(zhì)，向其中引入某種雜質(zhì)離子作活化發(fā)光中心。與熒光材料和磷光材料不同，激光晶體具有特殊的激活和發(fā)光過程：激活過程是將活化中心注入到激發(fā)態(tài)，稱作激勵(lì)。這樣的活化中心具有合理的壽命。換句話說，這些活化中心受激后并不立即發(fā)射能量回到基態(tài)，而是待激勵(lì)遍及“全域”。因而激發(fā)態(tài)比基態(tài)具有更多的活化中心。發(fā)光時(shí)，從一個(gè)活化中心發(fā)出的光刺激其他活化中心，以致輻射在整個(gè)相中進(jìn)行，于是就構(gòu)成了相干輻射的強(qiáng)烈光束或脈沖。本文檔共138頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分(2)自發(fā)輻射與受激輻射原子的自發(fā)輻射過程完全是一種隨機(jī)過程，各發(fā)光原子的發(fā)光過程各自獨(dú)立，互不關(guān)聯(lián)，即所輻射的光在發(fā)射方向上是無規(guī)則的射向四面八方，另外位相、偏振狀態(tài)也各不相同。由于激發(fā)能級有一個(gè)寬度，所以發(fā)射光的頻率也不是單一的，而有一個(gè)范圍。(自發(fā)輻射只與原子本身性質(zhì)有關(guān)，與輻射場的無關(guān)）受激輻射時(shí),原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣。受激輻射與自發(fā)輻射的重要區(qū)別在于其相干性。本文檔共138頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分必要條件：

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和減少振蕩模式充分條件：

起振和穩(wěn)定振蕩（形成穩(wěn)定激光）(3)激光產(chǎn)生的條件本文檔共138頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分粒子數(shù)反轉(zhuǎn)----光放大的內(nèi)部條件

一個(gè)入射光子不僅能引起受激輻射，而且也能引起受激吸收，所以只有當(dāng)處在高能級的原子數(shù)目比處在低能級的還多時(shí)，受激輻射躍遷才能超過受激吸收，而占優(yōu)勢。由此可見，為使光源發(fā)射激光的關(guān)鍵是發(fā)光原子處在高能級的數(shù)目比低能級上的數(shù)目多，這種情況稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級（基態(tài)）。因此，如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則是產(chǎn)生激光的必要條件。首先，激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，在這種介質(zhì)中可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。要求：工作物質(zhì)具有亞穩(wěn)態(tài)能級。本文檔共138頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分原子處在激發(fā)態(tài)時(shí)間很短10-8s，但還有一些亞穩(wěn)態(tài)，可以停留10-3s,在亞穩(wěn)態(tài)上粒子數(shù)不斷積累，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，達(dá)到光放大的目的。工作物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)鉻離子、釹離子、氖原子、二氧化碳分子、氬離子本文檔共138頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分激光工作物質(zhì)是三能級或四能級結(jié)構(gòu)。如果激勵(lì)過程使原子從基態(tài)E1以很大概率W抽運(yùn)到E3能級，處于E3的原子可以通過自發(fā)輻射躍遷回到E2或E1。假定從E3回到E2的概率A32大大超過從E3回到E1的概率A31，也超過從E2回到E1的概率A21，則利用泵浦抽運(yùn),E2和E1之間就可能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。三能級系統(tǒng)n2n1n3E1E2E3本文檔共138頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分

在外界激勵(lì)下，基態(tài)E1的粒子大量地躍遷到E4，然后迅速轉(zhuǎn)移到E3。E3能級為亞穩(wěn)態(tài)，壽命較長。E2能級壽命較短，因而到達(dá)E2上的粒子會(huì)很快回到基態(tài)E1。所以在E3和E2之間可能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

由于激光下能級不是基態(tài)，而是激發(fā)態(tài)E2，所以在室溫下激光下能級的粒子數(shù)很少，因而E3和E2間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)比三能級系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)。n1四能級系統(tǒng)E1E2E3E4N2n3n4(快）(慢）本文檔共138頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分泵浦源----粒子束反轉(zhuǎn)的外部條件必須用外界能量來激勵(lì)工作物質(zhì)，建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。將粒子從低能級抽運(yùn)到高能級態(tài)的裝置，稱為泵浦源。它是形成激光的外因。激光器是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器件，它將泵浦源輸入的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰?。從直接完成粒子?shù)反轉(zhuǎn)的方式來分，泵浦方式可分為：光激勵(lì)方式，氣體輝光放電或高頻放電方式，直接注入電子方式，化學(xué)反應(yīng)方式還有熱激勵(lì)、沖擊波、電子束、核能等方式。其次，當(dāng)物質(zhì)處于熱平衡態(tài)時(shí)，粒子束反轉(zhuǎn)是不可能的，只有當(dāng)外界向物質(zhì)供給能量（稱為泵浦或激勵(lì)）使物質(zhì)處于非平衡態(tài)時(shí)，粒子束反轉(zhuǎn)才能實(shí)現(xiàn)。泵浦或激勵(lì)過程是光放大的必要條件。本文檔共138頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分諧振腔（起振和維持光振蕩條件）諧振腔的作用是模式選擇和提供軸向光波模的反饋.軸向光波?？稍诜瓷溏R之間往返傳播，等效于增加了放大器長度駐波條件：Δj=2k*nL=2mpk

=2p/l，n:折射率，L：諧振腔長度方向性好單色性好本文檔共138頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分激光能夠產(chǎn)生的閾值條件：增益大于損耗

在諧振腔內(nèi)還存在許多損耗機(jī)制，譬如，由于R2<1，光在鏡面上總有透射損失，鏡面還存在吸收、散射等損耗，以及工作物質(zhì)不均勻引起的光線的折射和散射損耗，等。如果各種損耗的結(jié)果抵消了諧振腔內(nèi)的光放大過程，則不可能有激光輸出。因此光的增益超過損耗時(shí)，光波才能被放大，進(jìn)而振蕩，即有閾值條件：R1*R2*exp(2gL)>=1

穩(wěn)定振蕩條件－－增益飽和效應(yīng)激光強(qiáng)度將隨傳播距離的增加而呈指數(shù)關(guān)系上升，但是激光強(qiáng)度不會(huì)無限制的增大。當(dāng)入射光強(qiáng)度足夠弱時(shí)，增益系數(shù)與光強(qiáng)無關(guān)，是一個(gè)常量；而當(dāng)入射光強(qiáng)增加到一定時(shí)，增益系數(shù)將減小，這種現(xiàn)象稱為增益飽和現(xiàn)象。本文檔共138頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分激活物質(zhì)光放大的描述：增益增益系數(shù):光通過單位長度激活物質(zhì)后光強(qiáng)增加的百分?jǐn)?shù).①若上下能級粒子數(shù)之差n2-n1不隨z變化,則增益系數(shù)g(z)為一常數(shù)g0(此種情況稱為線性增益或小信號增益，g0稱為小信號增益),將上式積分,得Z=0處的初始光強(qiáng)本文檔共138頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分增益系數(shù)②n2(z)-n1(z)隨z的變化而變化,增益系數(shù)g(z)隨z的增加而減小,稱為增益飽和效應(yīng).當(dāng)I?Is時(shí),g(I)=g0為常數(shù),且不隨z變化,即小信號情況.當(dāng)I?Is不能滿足時(shí),g(I)為大信號增益系數(shù)或飽和增益系數(shù).飽和光強(qiáng)本文檔共138頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分增益大于損耗（光的自激振蕩，閾值條件）在光放大的同時(shí)，光通過介質(zhì)通常還有損耗。損耗系數(shù):光通過激活物質(zhì)單位距離后光強(qiáng)衰減的百分?jǐn)?shù).同時(shí)考慮增益和損耗，則有當(dāng)時(shí)，說明Im只與放大器本身的參數(shù)有關(guān)，而與初始光強(qiáng)I0無關(guān)。無論初始光強(qiáng)I0多么微弱，只要放大器足夠長，就能形成確定大小的光強(qiáng)Im，這種現(xiàn)象稱為自激振蕩。這表明,當(dāng)放大器足夠長時(shí),它可能成為一個(gè)自激振蕩器.諧振腔本文檔共138頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分因此，激光產(chǎn)生的條件可歸納為：條件1：激光工作物質(zhì)必須有亞穩(wěn)態(tài)條件2：選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ魑镔|(zhì)，使得受激發(fā)射大于受激吸收條件3：能使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子束反轉(zhuǎn)的外部條件---泵浦源條件4：需有一個(gè)諧振腔，用以產(chǎn)生和維持光振蕩，使得頻率單純，方向集中條件5：增益大于損耗，實(shí)現(xiàn)光放大能夠?qū)崿F(xiàn)粒子束反轉(zhuǎn)產(chǎn)生和維持光振蕩，實(shí)現(xiàn)光放大，選擇發(fā)射頻率和方向使反轉(zhuǎn)粒子束達(dá)到激光輸出的閾值條件本文檔共138頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分LASER：受激輻射光放大LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation本文檔共138頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分（4）激光產(chǎn)生和激光器的組成激光器的組成（三部分）：激光工作物質(zhì)光學(xué)諧振腔激勵(lì)源（泵浦）本文檔共138頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分光學(xué)諧振腔：通過工作物質(zhì)對激光提供反饋，以激發(fā)更多的光發(fā)射。工作物質(zhì)：能夠借外來能源激勵(lì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生受激輻射放大作用的物質(zhì)系統(tǒng)，包括固體(晶體、玻璃)、氣體(原子氣體、離子氣體、分子氣體)、液體和半導(dǎo)體等。泵浦源：激光器利用泵浦(閃光燈或另一種激光器以及氣體放電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)、核能激勵(lì))等激發(fā)源激發(fā)工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)激射。本文檔共138頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分工作物質(zhì)

激光器最重要的部分是工作物質(zhì)，包括激活離子和基質(zhì)。用過渡金屬離子（如Cr3+）激活的三能級激光晶體，如Cr3+

：

Al2O3氧化物激光晶體

固體激光器材料用稀土離子（如Nd3+）氟化物激光晶體激活的四能級體系復(fù)合石榴石激光晶體激光玻璃（釹玻璃）色心激光晶體（如LiF，KCl）

原子氣體氣體激光器材料離子氣體（氬離子、氪離子）工分子氣體（CO2、CO、N2分子）作準(zhǔn)分子氣體（XeF、KrF）

物

有機(jī)熒光染料（如羅丹明6B）

質(zhì)液體激光器材料

稀土螯合物（如Eu(TTA)3、Eu(BTF)4）

釹氧氯化硒（Nd3+

：SeOCl2

）半導(dǎo)體激光器材料：可見光激光管材料（如AlGaAs）紅外激光管材料（GaAs、Pb1－XSnXTe）非線性光學(xué)材料（LiNbO3）激光器輔助材料窗口、透鏡材料（如GaAs、ZnSe）抗反射涂層（ZrO2、SiO2

、TiO2、MgF2等）其它本文檔共138頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分（5）激光的特性方向性單色性相干性能量高度集中本文檔共138頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分本文檔共138頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分本文檔共138頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分本文檔共138頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分本文檔共138頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分本文檔共138頁；當(dāng)前第26頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分激光器的分類激勵(lì)方式工作物質(zhì)工作方式輸出波長諧振腔結(jié)構(gòu)（5）激光器的種類本文檔共138頁；當(dāng)前第27頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分工作物質(zhì)：固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器、自由電子激光器；工作方式：連續(xù)激光器、脈沖激光器、超短脈沖激光器、可調(diào)諧激光器；激光波長：紅外光激光器、可見光激光器、紫外光激光器、毫米波激光器、X射線激光器；激勵(lì)方式：電激勵(lì)激光器、光泵浦激光器、熱能激勵(lì)激光器、化學(xué)激光器；諧振腔結(jié)構(gòu)：內(nèi)腔激光器、外腔激光器、環(huán)形腔激光器、光纖激光器、薄膜激光器、分布反饋激光器；本文檔共138頁；當(dāng)前第28頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分常見的幾種激光器1）He-Ne激光器原子氣體激光器（最早問世的氣體激光器）典型的四能級系統(tǒng)激光器激勵(lì)方式：電激勵(lì)（氣體放電激發(fā)）主要波段在可見光區(qū)或近紅外區(qū)（632.8nm，1.15μm，3.39μm，以632.8nm為最常見。）輸出光束質(zhì)量好、輸出功率和頻率穩(wěn)定度高（功率在mW級，最大1W；光束質(zhì)量好，發(fā)散角可小于1mrad；單色性好，帶寬可小于20Hz）結(jié)構(gòu)簡單緊湊，穩(wěn)定性高（壽命可達(dá)數(shù)萬小時(shí)）連續(xù)工作方式，主要用于多用于檢測和干涉計(jì)量本文檔共138頁；當(dāng)前第29頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分常見的幾種激光器2）CO2激光器分子氣體激光器（最重要、應(yīng)用最廣泛的激光器）四能級系統(tǒng)激光器主要工作波段：波長9－11μm，最常見10.6μm效率高（能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)20~25%）光束質(zhì)量好功率范圍大（幾瓦～數(shù)十萬瓦，）熱效應(yīng)高：脈沖輸出能量可達(dá)數(shù)萬焦耳結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式多樣應(yīng)用：激光刀、醫(yī)療、紅外測距、通信等本文檔共138頁；當(dāng)前第30頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分常見的幾種激光器3）染料激光器（若丹明-6G）液體激光器（在可見和紫外光區(qū)獲得可調(diào)寫激光最簡單方便的方法）四能級系統(tǒng)激光器激勵(lì)方式：光激勵(lì)波長可調(diào)諧，調(diào)諧范圍寬（0.34~1.2μm）每個(gè)脈沖激光能量可達(dá)數(shù)十焦耳，峰值功率達(dá)幾百兆瓦，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)50%結(jié)構(gòu)簡單價(jià)格便宜穩(wěn)定性差本文檔共138頁；當(dāng)前第31頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分常用染料的波長范圍染料波長范圍/nm對三聯(lián)苯322~365四甲基傘形酮47391~567香豆素47440~506香豆素48447~569若丹明6G540~640若丹明B580~655過氯酸鹽644~709尼爾蘭692~783花青22760~812本文檔共138頁；當(dāng)前第32頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分常見的幾種激光器4）紅寶石激光器（Ruby，：Cr3+：Al2O3）固體激光器（最早的激光器，1960年Maiman研制，至今仍是一個(gè)重要的系統(tǒng)）紅寶石激光器以剛玉為基質(zhì)晶體，摻入0.05%wt的Cr3+作激活離子。剛玉化學(xué)式為Al2O3，α-Al2O3為紅寶石激光晶體，摻雜的Cr3+取代α-Al2O3晶格中的Al3+離子。三能級系統(tǒng)激光器激勵(lì)方式：光激勵(lì)123本文檔共138頁；當(dāng)前第33頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分反射鏡閃爍燈紅寶石開關(guān)激光束紅寶石激光器的構(gòu)造紅寶石激光器的主體是一根長數(shù)百厘米、直徑1-2厘米的紅寶石晶體棒，周圍環(huán)繞著閃爍燈，還可以在兩側(cè)也裝上燈，使得它從各方向都受到有效的輻照。棒的一個(gè)側(cè)端裝有一個(gè)鏡子，使得發(fā)出光又返回棒中。另一側(cè)端裝有Q閥。其實(shí)這是一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的鏡子，既可以允許激光束從系統(tǒng)中射出，又可以將光束返回棒中，只是當(dāng)光束強(qiáng)度達(dá)到最佳要求時(shí)才被發(fā)射出來。這樣，由于激光束在棒中往返通過，形成了更多的激活中心，就使初始相干輻射脈沖強(qiáng)度變大。紅寶石激光器的構(gòu)造本文檔共138頁；當(dāng)前第34頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分用氙燈的強(qiáng)可見光照射到紅寶石晶體上，Cr3+離子的d電子從基態(tài)4A2激發(fā)到較高的激發(fā)態(tài)4F1、4F2能級。這些能級上的電子通過非輻射過程很快回到稍低一些的能級2E。2E激發(fā)態(tài)能級的壽命非常長，約為5×10-3秒。這意味著有足夠的時(shí)間可以將這種激發(fā)狀況普遍化，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。從能級2E回到基態(tài)就產(chǎn)生激光。在這一轉(zhuǎn)變過程，晶體相中許多離子互相激勵(lì)，便產(chǎn)生了強(qiáng)的波長為693nm的相干紅光脈沖。紅寶石激光器能級結(jié)構(gòu)本文檔共138頁；當(dāng)前第35頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分紅寶石激光器輸出特性右側(cè)反射鏡反射率約為50%時(shí)最佳：閾值較低，腔內(nèi)光能密度較大，耦合效率較高，激光輸出最強(qiáng)。本文檔共138頁；當(dāng)前第36頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分紅寶石激光器工作特性本文檔共138頁；當(dāng)前第37頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分常見的幾種激光器5）YAG激光器（Nd3+：YAG）固體激光器（產(chǎn)量最高的固態(tài)激光器）摻釹釔鋁石榴石晶體（Nd3+：YAG）是以無色透明的釔鋁石榴石晶體（化學(xué)式Y(jié)3Al5O12，記作YAG）為基質(zhì)，摻入Nd3+為激活離子，Nd3+部分取代YAG中的Y3+，摻釹的重量比為0.725%，摻釹后，晶體是淡紫色。四能級系統(tǒng)激光器激勵(lì)方式：光激勵(lì)1234本文檔共138頁；當(dāng)前第38頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分2023/6/2139Nd3+：YAG激光器能級結(jié)構(gòu)4F3/2

4I9/20.946μm4F3/2

4I11/21.06μm4F3/2

4I13/2

1.35μm本文檔共138頁；當(dāng)前第39頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分40Nd3+：YAG激光器輸出特性連續(xù)工作Nd3+：YAG激光器輸出特性本文檔共138頁；當(dāng)前第40頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分Nd3+：YAG激光器工作特性連續(xù)工作Nd3+：YAG激光器工作特性本文檔共138頁；當(dāng)前第41頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分常見的幾種激光器5）半導(dǎo)體激光器（種類繁多，第四章）屬于固體激光器工作物質(zhì)：半導(dǎo)體材料激勵(lì)方式：電激勵(lì)、光激勵(lì)超小型、重量輕，激活面積約為0.5×0.5mm2；效率高、微分量子效率大于50%，能量轉(zhuǎn)換效率大于30%；（能量轉(zhuǎn)換效率大大超過一般的固體工作物質(zhì)）發(fā)射激光波長范圍寬，通常譜寬在0.5~30μm之間；使用壽命長，可達(dá)百萬小時(shí)以上；準(zhǔn)連續(xù)輸出功率達(dá)300W，脈沖輸出功率達(dá)1000W以上。本文檔共138頁；當(dāng)前第42頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分2.固體激光工作物質(zhì)：基質(zhì)與激活離子固體激光工作物質(zhì)是將發(fā)光中心(激活離子)摻入基質(zhì)材料而構(gòu)成。激光光譜特性由激活離子的能帶結(jié)構(gòu)決定，基質(zhì)材料則主要決定工作物質(zhì)的物理、化學(xué)、機(jī)械性能。（1）對固體激光材料的基本要求

要求：具備清晰的熒光線、強(qiáng)的吸收帶及相當(dāng)高的量子效率，優(yōu)良的光學(xué)、熱學(xué)性能和機(jī)械性能。

本文檔共138頁；當(dāng)前第43頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分1）離子大?。壕w的晶格格點(diǎn)必須與激活離子的大小相當(dāng)。在離子晶體中，離子半徑之差大于15％就不能直接摻入1％以上的激活離子。但用稀土激活的晶體激活離子的摻入量可大于1％。2）電性中和：摻雜劑價(jià)態(tài)如與基質(zhì)陽離子不同，則要采取適當(dāng)?shù)碾姾裳a(bǔ)償技術(shù)維持高摻雜下的電性中和，否則摻雜劑的溶解度將受到限制。例如CaWO4中如只摻入稀土取代Ca2+，溶解度就受到限制，這時(shí)再加入Na+，稀土溶解度才增加.3）摻入的激活離子具有有效的激勵(lì)光譜和大的受激發(fā)射截面,吸收光譜與泵浦光的輻射光譜有盡可能多的重疊.4）能摻入較高濃度的激活離子,濃度猝滅效應(yīng)小,熒光壽命足夠長.本文檔共138頁；當(dāng)前第44頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分5）理想晶體應(yīng)對泵浦波長有較強(qiáng)吸收，對激發(fā)波長吸收很弱，即在激光工作頻率范圍透明。6）具有高的熒光量子效率。7）光學(xué)質(zhì)量高,缺陷少,內(nèi)應(yīng)力小.在材料中不產(chǎn)生入射光的波面畸變偏振態(tài)的變化.8）具有良好的物理、化學(xué)和機(jī)械性能.熱導(dǎo)率高,熱膨脹系數(shù)小,化學(xué)穩(wěn)定性好,機(jī)械強(qiáng)度高,耐水性好,熔點(diǎn)高,能承受高功率密度等.9）制備工藝簡單,加工容易,成本低,并可獲得足夠大的尺寸.10)

純度：生長激光晶體所用氧化物純度為5~6個(gè)“9”，總雜質(zhì)含量不得超過1－10ppm。本文檔共138頁；當(dāng)前第45頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分（2）基質(zhì)材料：可粗略分為晶體和玻璃兩大類I基質(zhì)晶體優(yōu)點(diǎn)：熱導(dǎo)率高、硬度高、熒光譜線較窄。缺點(diǎn)：光學(xué)質(zhì)量和摻雜的均勻性比基質(zhì)玻璃差。①金屬氧化物。如藍(lán)寶石、釔鋁石榴石、釔鎵石榴石、釓鎵石榴石和氣體釔等；②磷酸鹽、硅酸鹽、鋁酸鹽、鉬酸鹽、鋇酸鹽、鈹酸鹽晶體，如氟磷酸鈣、五磷酸釹、鋁酸釔、鋁酸鎂鑭、鎢酸鈣、鉬酸鈣、鋇酸釔、鈹酸鑭等；③氟化物，氟化釔鋰、氟化鈣、氟化鋇和氟化鎂等。II基質(zhì)玻璃優(yōu)點(diǎn)：易制造、成本低，易摻雜、均勻性好，是大功率和高能量激光器中使用的重要基質(zhì)材料。缺點(diǎn)：熱導(dǎo)率低、熒光譜線寬。硅酸鹽、磷酸鹽、氟磷酸鹽、硼酸鹽玻璃等。本文檔共138頁；當(dāng)前第46頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分（3）激活離子(發(fā)光中心)主要包括：1）稀土離子:[三價(jià)]釹、鐠、釤、銪、鏑、鈥、鉺、鐿等;[二價(jià)]釤、鉺、銩、鏑等2)過渡族金屬離子:[三價(jià)]鉻、鈦、鎳、鈷等3)錒系離子：U3+(其它多有放射性，實(shí)用性差)（4）正分高濃度激光晶體主要包括：過磷酸鹽類、偏磷酸鹽類、正磷酸鹽類、硼酸鹽類、鎢、鉬酸鹽類、氟化物、磷灰石型化合物優(yōu)點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)高摻雜而無明顯淬滅效應(yīng)、高效率、低閾值定義：激活離子本身是基質(zhì)晶體組成部分的激光工作物質(zhì)。本文檔共138頁；當(dāng)前第47頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分本文檔共138頁；當(dāng)前第48頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分3.常用的固體激光材料激光晶體材料用于制作固體激光器的工作物質(zhì)，是固體激光技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)支撐材料。先進(jìn)的軍用激光晶體材料還是重要的戰(zhàn)略資源，激光晶體材料和技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用也是衡量一個(gè)國家或地區(qū)高科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。

全球激光晶體材料行業(yè)的地區(qū)主要分布在北美（美國），其次是歐洲（德國、英國、法國、捷克、立陶宛）和亞洲（日本、中國）。其中，美國生產(chǎn)銷售的激光晶體產(chǎn)品占全球的一半。

激光晶體材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域和市場包括激光加工、激光醫(yī)療和科研，其中激光加工所占比例最大。本文檔共138頁；當(dāng)前第49頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分目前，人們已經(jīng)研制出幾百種激光晶體實(shí)現(xiàn)了激光輸出，但獲得實(shí)際應(yīng)用的只有幾十種，商品化的使用激光晶體近20種。按材料的特性和用途，可分類如下：（1）高功率激光晶體定義：用于輸出平均功率達(dá)到數(shù)百瓦以上高功率激光器的晶體。目前，商品化的高功率激光晶體主要有：Nd：YAG（摻釹釔鋁石榴石）Nd：YAP（摻釹鋁酸釔）Nd：Cr：GSGG（摻釹和鉻的GSG石榴石）Cr：Al2O3（紅寶石）應(yīng)用領(lǐng)域：工業(yè)、軍事、醫(yī)療、科研等各領(lǐng)域其中，Nd：YAG晶體是應(yīng)用最廣泛的激光晶體，產(chǎn)量占激光晶體總量的50-65%。本文檔共138頁；當(dāng)前第50頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分（2）LD泵浦激光晶體LD泵浦激光晶體用于激光二極管（LD）泵浦的全固態(tài)激光器，是一類應(yīng)用廣泛的激光晶體。LD泵浦特別適用于一些吸收譜線寬、熒光壽命長、發(fā)射截面大的晶體。目前，已經(jīng)商品化的LD泵浦晶體主要有：Nd：YVO4（摻釹釩酸釔）Nd：YLF（摻釹氟化釔鋰）特點(diǎn)：光束質(zhì)量好、壽命長、結(jié)構(gòu)更緊湊應(yīng)用領(lǐng)域：軍事、工業(yè)、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域其中，Nd：YVO4是目前大量應(yīng)用的LD泵浦激光晶體，生產(chǎn)規(guī)模僅次于Nd：YAG，產(chǎn)量約占激光晶體總量的10%，主要用于1.06um和0.53um的激光器。Nd：YLF主要用于超短脈沖和單模、單頻激光器，是產(chǎn)量較大的一種有特色的激光晶體。本文檔共138頁；當(dāng)前第51頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分（3）可調(diào)諧波長激光晶體主要用于波長可調(diào)的激光器的晶體，其激光器中介入色散原件后，輸出的激光波長可在較寬的頻率范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。目前，商品化的可調(diào)諧晶體主要有：Ti:Al2O3（摻鈦藍(lán)寶石）Cr:BeAl2O4（金綠寶石）Cr:LiSAF（摻鉻氟鋁鈣鋰）Tm:YAG（摻銩釔鋁石榴石）應(yīng)用領(lǐng)域：科研、軍事、醫(yī)療目前，Ti:Al2O3是應(yīng)用最廣泛的室溫工作寬帶可調(diào)諧激光晶體，可調(diào)諧波長范圍為660~1180nm，主要用于脈沖、連續(xù)可調(diào)諧激光器和飛秒級超短脈沖，太瓦級超強(qiáng)脈沖激光器。本文檔共138頁；當(dāng)前第52頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分（4）新波長激光晶體新波長一般指1um以外的其它激光波長。目前商品化的新波長激光晶體主要有：Ho：Cr:Tm：YAG（2um三摻雜釔鋁石榴石）Ho：Tm：YLF，Ho：Tm：YAGEr：YAG（3um）主要用于脈沖和Q開關(guān)激光器應(yīng)用領(lǐng)域：激光醫(yī)療、軍事、科研本文檔共138頁；當(dāng)前第53頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分1）摻稀土離子的激光晶體

將稀土離子（摩爾分?jǐn)?shù)~1%）摻入晶體基質(zhì)材料中，由于稀土離子能級間的躍遷，可產(chǎn)生覆蓋從UV~IR的激射波長。

可用于激光晶體的稀土離子有200多種，應(yīng)用最廣泛的是Nd3+摻Nd3+釔鋁石榴石:Nd：YAG優(yōu)點(diǎn)：量子效率高>99.5%;熒光壽命長；激光特性穩(wěn)定，受溫度影響??；可連續(xù)、準(zhǔn)連續(xù)、脈沖工作；功率調(diào)諧方便，是目前實(shí)用化程度最高的激光晶體。顏色：粉紅色;發(fā)射波長：P546-547由于YAG晶體具有光學(xué)均勻性好、機(jī)械性能好、物化穩(wěn)定性高、熱導(dǎo)性好等優(yōu)點(diǎn)，目前仍是固體激光器的首選材料，因此廣泛用于工業(yè)、醫(yī)療、科研、通訊和軍事等領(lǐng)域。如激光武器、激光測距、激光目標(biāo)指示、激光探測、激光打標(biāo)、激光加工（包括切割、打孔、焊接以及內(nèi)雕等）、激光醫(yī)療等等。(發(fā)射波長1064nm)按照激活離子種類分：本文檔共138頁；當(dāng)前第54頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分2）摻過渡金屬離子的激光晶體紅寶石：在藍(lán)寶石晶體(Al2O3，俗稱剛玉)摻入少量的Cr2O3，使激活離子部分取代Al離子而形成，英文名Ruby。

顏色：紅色透明，并隨Cr濃度增大而加深。發(fā)射波長：694.3nm（室溫）；693.4nm（77K）優(yōu)點(diǎn)：硬度高、熱導(dǎo)率高、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分穩(wěn)定、抗腐蝕和抗光損傷能力強(qiáng)缺點(diǎn)：與稀土離子激活的激光晶體相比，熒光線寬更寬，閾值更高，不易發(fā)生受激輻射；性能隨溫度變化大用途：激光測距、材料加工、全息照相等本文檔共138頁；當(dāng)前第55頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分3）激光玻璃激光玻璃與前二者相比，基質(zhì)材料為無序結(jié)構(gòu)，閾值通常更高。目前，只有稀土離子在基質(zhì)玻璃中實(shí)現(xiàn)了激光發(fā)射。

釹(Nd)玻璃：在某種成分的基質(zhì)玻璃（常用的有硅酸鹽和磷酸鹽玻璃）中摻入適量的Nd2O3而制成。（摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%~5%）發(fā)射波長：

硅酸鹽釹玻璃---1.064um;0.92um(低溫下)

磷酸鹽釹玻璃---1.054um（激光核聚變）優(yōu)點(diǎn)：熒光壽命長、儲(chǔ)能高（適于高能量脈沖工作）、熒光線寬很寬（鎖模器件）缺點(diǎn)：熱導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)大、不適用連續(xù)工作或重復(fù)頻率非常高的激光運(yùn)轉(zhuǎn)本文檔共138頁；當(dāng)前第56頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分

1)焰熔法(維爾納葉法)氫氧燃燒產(chǎn)生的高溫使料粉通過火焰加熱熔融，熔滴落在籽晶上，使籽晶桿下降進(jìn)入爐子的較冷部分隨即結(jié)晶。該法設(shè)備簡單、不用坩堝，適于生長熔點(diǎn)大于1800℃(可達(dá)2500℃)的晶體如紅寶石、釔鋁石榴石(Y3A15O12)和Y2O3等基質(zhì)晶體，缺點(diǎn)是晶體內(nèi)應(yīng)力大、位錯(cuò)密度高及存在化學(xué)不均勻性。4.激光晶體制備方法本文檔共138頁；當(dāng)前第57頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分2)直拉法適于生長共熔化合物單晶，易自動(dòng)化，能生長非常大的完美單晶，如CaWO4、CaMoO4、紅寶石、堿土金屬鹵化物及石榴石晶體等。近年來出現(xiàn)的釓鈧鎵石榴石Gd3Sc2Ga3O12(簡稱GSGG)就是用直拉法生長的。采用銥坩堝在含l~3％O2的氮?dú)夥罩猩L(感應(yīng)加熱)，已生長出直徑130mm、長100mm的晶坨，晶體尺寸大、質(zhì)量高、適于制造高平均輸出(1KW)的板條激光器（規(guī)格l×10×20cm3)，在金屬加工方面可與CO2激光器競爭。本文檔共138頁；當(dāng)前第58頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分

作為可買到的商品Nd∶YAG一般都采用直拉法生長，已制出最大直徑約10mm、長達(dá)150mm的激光棒。還制出直徑75mm的非摻Y(jié)AG晶錠。由于生長時(shí)間慢(0.5mm/h)，生長10~15cm長的晶棒，耗時(shí)數(shù)周，造成高的生產(chǎn)成本。目前正在研制400一1000W的Nd∶YAG板條激光器。此外，釹含量比YAG高6倍的Nd：LMAO(Nd：La1－XMgAl11O19)也是用直拉法生長的。這種晶體解決了釹含量低使輸出功率受限制的問題，已實(shí)現(xiàn)高功率輸出，近年內(nèi)可望制成千瓦級小型固體激光器，其激射波長為1．054μm。本文檔共138頁；當(dāng)前第59頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分

該法將籽晶置于坩堝底部的中心位置，熔料裝到籽晶的上方、坩堝位于熱交換器的上部，用石墨電阻爐生長激光晶體。對于給定的物料，爐溫決定液體內(nèi)的溫度梯度，熱交換器的溫度決定固體內(nèi)的溫度梯度。固液界面因浸沒在熔體表面以下，不受機(jī)械和溫度擾動(dòng)的影響，故可實(shí)現(xiàn)均勻生長，最大限度地降低生長條紋，獲得均勻的摻雜分布。該法適于生長Cr：A12O3(紅寶石)、Nd：YAG、Co：MgF2和Ti：A12O3(藍(lán)寶石)，能獲得大尺寸優(yōu)質(zhì)晶體，如Φ65mm的Co：MgF2晶體和Φ320mm、重50Kg的藍(lán)寶石晶體。3)熱交換器(HEM)法本文檔共138頁；當(dāng)前第60頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分5.應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用：激光切割機(jī)、激光焊接、激光打標(biāo)、微加工機(jī)等軍事應(yīng)用：激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)武器、紅外定向干擾、空間和水下通信、高能激光武器等醫(yī)療領(lǐng)域：固體激光治療儀已廣泛應(yīng)用于幾乎所有醫(yī)學(xué)?？?，激光醫(yī)療已逐步形成獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)科研領(lǐng)域：激光核聚變、激光等離子體、激光測量、激光光譜、激光化學(xué)、激光生物學(xué)等其它應(yīng)用需求：通信、能源、環(huán)保等領(lǐng)域本文檔共138頁；當(dāng)前第61頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分

激光器的輸出水平不斷提高：中、小功率器件高功率、高能量激光器；脈沖體制從連續(xù)波、準(zhǔn)連續(xù)波到各種短脈沖、超短脈沖的激光。連續(xù)的高能激光單次輸出能量已達(dá)百萬焦耳以上；超短脈沖：納秒皮秒飛秒阿秒

脈沖功率密度則可高達(dá)1020瓦/cm2以上。

6.激光發(fā)展的新特點(diǎn)本文檔共138頁；當(dāng)前第62頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分7.激光與非線性光學(xué)的關(guān)系激光的出現(xiàn)帶動(dòng)了非線性光學(xué)的發(fā)展，非線性光學(xué)的發(fā)展推動(dòng)了激光的應(yīng)用研究梅曼（1960）發(fā)明第一臺紅寶石激光器(PeterFrankenetal.1961)將紅寶石694nm激光聚焦到石英晶體上產(chǎn)生347nm紫外光,但效率很低，僅為1e-8。利用介質(zhì)的非線性響應(yīng)可以產(chǎn)生新的激光頻率本文檔共138頁；當(dāng)前第63頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分一、非線性光學(xué)發(fā)展史1960-70年代：激光的出現(xiàn)從1961年Franken首次發(fā)現(xiàn)光學(xué)二次諧波開始，展現(xiàn)許多非線性光學(xué)效應(yīng)。建立非線性光學(xué)的基本理論。1980-90年代：激光光源和非線性光學(xué)材料大發(fā)展(光源,材料要求)

人工設(shè)計(jì)和合成新材料（新的無機(jī)晶體，有機(jī)高分子材料，半導(dǎo)體人工微結(jié)構(gòu))光折變材料的發(fā)現(xiàn)和研究更加實(shí)用化（新光源，光譜技術(shù)，用光控制光，光信息處理）1990年代以來：超快激光和非線性光學(xué)結(jié)合,低光強(qiáng)產(chǎn)生非線性光學(xué)效應(yīng)光子晶體和微結(jié)構(gòu)光纖，利用原子的量子相干性(超低速，量子非線性光學(xué)）頻率變換技術(shù)的進(jìn)步3.2.1晶體的非線性光學(xué)基礎(chǔ)3.2非線性光學(xué)功能材料本文檔共138頁；當(dāng)前第64頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分二、什么是非線性光學(xué)1.線性光學(xué)1）特點(diǎn)2)本構(gòu)方程入射光的電場強(qiáng)度比介質(zhì)中原子內(nèi)的場強(qiáng)小得多，光與介質(zhì)相互作用，導(dǎo)致介質(zhì)被極化?光的頻率不會(huì)改變?光波疊加原理?光學(xué)參數(shù)與光強(qiáng)無關(guān)(折射率，吸收系數(shù)，散射截面等)

?光波之間沒有相互作用本文檔共138頁；當(dāng)前第65頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分2.非線性光學(xué)1）非線性光學(xué)現(xiàn)象本文檔共138頁；當(dāng)前第66頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分本文檔共138頁；當(dāng)前第67頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分laser1.064um1.319umlenssamplescreen0.532um0.588um0.660umCerenkov’sChristmasTree本文檔共138頁；當(dāng)前第68頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分2）非線性光學(xué)的理論描述考慮光對非線性介質(zhì)（絕緣非磁性）的作用（介質(zhì)對光的響應(yīng)）：主要考慮電極化強(qiáng)度一般關(guān)系：強(qiáng)光入射介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生非線性電極化，極化強(qiáng)度可按電場強(qiáng)度的冪級數(shù)展開本文檔共138頁；當(dāng)前第69頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分不同階極化有不同的頻率成分：線性極化

每個(gè)頻率分量必定與電場的同頻率分量成線性關(guān)系,

(線性，各向異性，色散）本文檔共138頁；當(dāng)前第70頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分二階非線性極化

所有頻率成分應(yīng)當(dāng)和場強(qiáng)二并矢EE的各個(gè)頻率成分相對應(yīng)

二階非線性極化的任一頻率成分可表示為

本文檔共138頁；當(dāng)前第71頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分72三階和高階非線性極化

三階非線性極化的任一頻率成分可表示為本文檔共138頁；當(dāng)前第72頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分73例1：介質(zhì)中輸入頻率為w的光，求二階非線性極化的所有頻率成分.

光頻的所有二次組合是本文檔共138頁；當(dāng)前第73頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分入射單色強(qiáng)光電場強(qiáng)度恒定電場基頻成分倍頻成分本文檔共138頁；當(dāng)前第74頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分75Vw2ww----++++(1）是二次諧波發(fā)生(最典型、最基本、最重要的二階效應(yīng))

(2）是光學(xué)整流效應(yīng)（一種特殊的二階效應(yīng)）本文檔共138頁；當(dāng)前第75頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分76例2：介質(zhì)中輸入頻率為w1,w2的兩束光，求可能的二階非線性極化的頻率成分。

光頻的所有二次組合是

例如和頻發(fā)生

本文檔共138頁；當(dāng)前第76頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分入射兩種不同頻率的強(qiáng)光和頻成分差頻成分當(dāng)激光與非線性介質(zhì)作用，入射光通過介質(zhì)后，其輸出頻率較入射頻率有所變化，介質(zhì)除輻射直流、基頻和倍頻成分，還將輻射頻率為和頻與差頻的光波，稱為光學(xué)混頻。本文檔共138頁；當(dāng)前第77頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分二、典型的二階非線性光學(xué)過程（輸入頻率為w1,w2）本文檔共138頁；當(dāng)前第78頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分光參量放大（OpticalparametricAmplification,OPA）考慮當(dāng)一種頻率較低的弱信號光s與另一種頻率較高的強(qiáng)泵浦光p同時(shí)入射到非線性介質(zhì)內(nèi)時(shí)將要產(chǎn)生的情況。（s<<p）研究表明，此種情況下，弱的入射信號光s將得到放大，強(qiáng)的泵浦光p將有所減弱，同時(shí)，非線性介質(zhì)還將輻射出第三種相干光i=p-s，稱為閑頻光。這種非線性光學(xué)效應(yīng)稱為光學(xué)參量放大效應(yīng)，簡稱OPA。非線性光學(xué)晶體目的:使信號光波的功率得到放大1）入射：s，p2）泵浦光與信號光差頻p-s=i3）閑置光又與泵浦光差頻p-i=

s得到新的信號光4）新產(chǎn)生的信號光波與入射的弱信號光滿足一定條件，則原來的弱信號光在損耗泵浦光波功率情況下得到放大本文檔共138頁；當(dāng)前第79頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分光學(xué)參量過程的量子解釋：光學(xué)參量過程可理解為分兩步完成：1）一個(gè)能量為hp的泵浦光子的湮滅，而介質(zhì)的某一個(gè)分子離開其初始能級躍遷虛能級（中間狀態(tài)）；2）處于中間狀態(tài)的分子立刻回到初始狀態(tài)并同時(shí)輻射出兩個(gè)能量分別為hs和hi的光子。本文檔共138頁；當(dāng)前第80頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分討論：1）強(qiáng)泵浦光和弱信號光的強(qiáng)度泵浦光的平均功率：kW量級入射信號光的平均功率：mW量級二者相差1e5~1e6數(shù)量級2）光學(xué)參量放大與激光放大有什么區(qū)別？OPA的增益來源于非線性介質(zhì)中光波間的相互作用；激光放大源于激光晶體原子或分子能級間的粒子束反轉(zhuǎn)。本文檔共138頁；當(dāng)前第81頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分光參量振蕩（Opticalparametricoscillator,OPO）在光學(xué)參量放大過程的基礎(chǔ)上，如果進(jìn)一步采用光學(xué)反饋裝置共振腔，則在參量放大作用大于腔內(nèi)各種損耗作用的條件下，可同時(shí)在頻率s和i處產(chǎn)生相干光振蕩，即光學(xué)參量振蕩，簡稱OPO。參量放大因子與非線性晶體的二階非線性電極化系數(shù)有關(guān)系。本文檔共138頁；當(dāng)前第82頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分典型的二階非線性光學(xué)效應(yīng)：倍頻（Secondharmonicgeneration,SHG）三波混頻（ThreeHamonicWaveMixing，THWM）

和頻，差頻光整流效應(yīng)（Opticalrectificationeffect，OR）光參量放大（OpticalparametricAmplification,OPA）光參量振蕩（Opticalparametricoscillator,OPO）泡克耳斯效應(yīng)（Pockelseffect）:線性電光效應(yīng)本文檔共138頁；當(dāng)前第83頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分三、三階非線性光學(xué)效應(yīng)三倍頻（Threeharmonicgeneration,THG）四波混頻（FourHamonicWaveMixing，F(xiàn)HWM）自聚焦效應(yīng)（Self-Focusingeffect）光學(xué)孤子（OpticalSoliton）光學(xué)雙穩(wěn)（OpticalBistability,OA）雙光子吸收（TPA）受激拉曼（SRS）光克爾效應(yīng)（Kerreffect）：二次電光效應(yīng)本文檔共138頁；當(dāng)前第84頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分四、非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換過程的相位匹配相位匹配什么是相位匹配？非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換過程為什么會(huì)存在相位匹配問題？下面我們以倍頻為例加以說明。設(shè)入射基波頻率為w1，振幅為E1，倍頻波頻率為w2，振幅為E2，兩波在均勻的非線性晶體中沿z方向傳播代入非線性波動(dòng)方程本文檔共138頁；當(dāng)前第85頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分得到晶體中基波和倍頻波傳播演化的耦合波方程相位失配量利用邊界條件：A1(0)=常數(shù),A2(0)=0,在小信號近似下，耦合波方程組的解本文檔共138頁；當(dāng)前第86頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分即：非線性倍頻波的光強(qiáng)隨z的變化相干長度當(dāng)z=Lc時(shí)，能量由基波流向諧波首次達(dá)到最大。當(dāng)相位失配Dk=0（即完全相位匹配），則相干長度無限大,此時(shí)能量單向地從基頻波流向倍頻波。本文檔共138頁；當(dāng)前第87頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分非線性倍頻轉(zhuǎn)換效率與哪些因素有關(guān)：1）晶體的二階非線性系數(shù)（10-12(m/v)2）2）相位匹配條件3）晶體長度（cm量級）4）輸入基波光功率密度（MW/cm2）本文檔共138頁；當(dāng)前第88頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分極化波頻率傳輸常數(shù)電磁波2.相位匹配條件能量守恒、動(dòng)量守恒對于倍頻過程，相位匹配條件：對于三波混頻過程：本文檔共138頁；當(dāng)前第89頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分利用相位匹配技術(shù),可使對倍頻,上式變?yōu)樯鲜绞蔷w倍頻效應(yīng)的相位匹配條件。滿足這一條件時(shí)，基頻光沿途激發(fā)的倍頻子波具有相同的相位而相互加強(qiáng)，得到有效的倍頻光輸出。相位匹配的方式：共線匹配；非共線匹配本文檔共138頁；當(dāng)前第90頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分3.實(shí)現(xiàn)相位匹配的途徑(1)雙折射相位匹配（BPM）ne(2ω)=no(ω)P.D.Makeretal.,PRL1962角度相位匹配溫度相位匹配利用某些晶體的雙折射效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)相位匹配，如Ⅰ類匹配：指輸入的基頻波具有相同的偏振態(tài)，

Ⅱ類匹配：指輸入的基頻波具有正交的偏振態(tài)下面我們以單軸晶體為例進(jìn)行討論。本文檔共138頁；當(dāng)前第91頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分(1a)角度相位匹配:球面:o光折射率面實(shí)線:基頻光虛線:倍頻光橢球面:e光折射率面實(shí)線:基頻光虛線:倍頻光M點(diǎn):o光基頻光與e光倍頻光折射率交點(diǎn)PM方向:相位匹配方向M:相位匹配角ne<noPhase-Matching：PM負(fù)單軸晶體：I類匹配負(fù)單軸晶體的I類匹配只能是本文檔共138頁；當(dāng)前第92頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分負(fù)單軸晶體II類匹配只能是正單軸晶體I類匹配只能是正單軸晶體II類匹配只能是本文檔共138頁；當(dāng)前第93頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分角度相位匹配的缺點(diǎn)

對匹配角度要求很敏感

有離散效應(yīng)(walk-off)

要求非線性晶體的雙折射率較大而色散較小，特別是II類相位匹配。不是所有的非線性晶體都能采用角度匹配，如石英和鉭酸鋰(LT)就不存在相位匹配方向。本文檔共138頁；當(dāng)前第94頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分(1b)溫度相位匹配

對于某些非線性光學(xué)晶體,如鈮酸鋰、磷酸二氫鉀等,它們的折射率隨溫度很敏感（e光折射率隨溫度的變化比o光的折射率快得多）,利用這一特性,在基波光垂直于光軸入射(M=90o)條件下,離散角為0，就有可能通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)溫度來實(shí)現(xiàn)相位匹配.以

負(fù)單軸晶體為例：I類匹配時(shí)溫度匹配的條件：II類匹配時(shí)溫度匹配的條件：

本文檔共138頁；當(dāng)前第95頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分(1b)溫度相位匹配分類: M=90o------非臨界相位匹配

M=90o------臨界相位匹配不是所有的非線性光學(xué)晶體都能實(shí)現(xiàn)90o的相位匹配。(P470)（1a）、（1b）統(tǒng)稱雙折射匹配（BPM）。本文檔共138頁；當(dāng)前第96頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分KDPI類匹配0。51790。000。121。73非臨界角度0。53276。640。140。0660。81444。551。340。04661。03441。1648。50。0602非臨界波長1。06441。2122。00。0699本文檔共138頁；當(dāng)前第97頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分(2)準(zhǔn)相位匹配（QPM）Gm=2m/Bloembergen,N.--GmBloembergen,N.將鐵電晶體的極性周期性反轉(zhuǎn),用光柵波矢來抵消相位失配，從而達(dá)到相位匹配。極性反轉(zhuǎn)則光軸也反轉(zhuǎn)，這對線性極化率沒有影響,即線性折射率不會(huì)因光軸的反向而改變,但會(huì)使二階非線性極化率有些分量要變號。

本文檔共138頁；當(dāng)前第98頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分(BPM)(BPM&QPM)

(QPM)LBO、BBO、KTP……LN、LT、KTP……本文檔共138頁；當(dāng)前第99頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分準(zhǔn)相位匹配下的二次諧波發(fā)生本文檔共138頁；當(dāng)前第100頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分準(zhǔn)相位匹配的優(yōu)缺點(diǎn)不受雙折射的限制,因此適用于更寬的波長范圍可利用最大的非線性極化率的系數(shù)以提高轉(zhuǎn)換效率可利用半導(dǎo)體集成技術(shù)加工成波導(dǎo)形式,有利于和光纖及其它光波導(dǎo)相耦合適用于低功率的小型器件,對輸入激光的線寬要求高QPM材料制備：

極化技術(shù)本文檔共138頁；當(dāng)前第101頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分

(Appl.Phys.Lett.37,607(1980)本文檔共138頁；當(dāng)前第102頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分SchematicdiagramPs室溫電場圖案極化制備光學(xué)超晶格極化裝置示意圖應(yīng)用物理學(xué)報(bào)(J.Appl.Phys.77,5481(1995))應(yīng)用物理快報(bào)(Appl.Phys.Lett.68,2781(1995))本文檔共138頁；當(dāng)前第103頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分光刻膠導(dǎo)電介質(zhì)0.5–2mmLN、LT、KTP晶片高壓電源50mm室溫電場圖案極化制備光學(xué)超晶格本文檔共138頁；當(dāng)前第104頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分室溫電場圖案極化制備光學(xué)超晶格LiTaO3,LiNbO3,KTP……本文檔共138頁；當(dāng)前第105頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分多通道扇形周期可調(diào)級聯(lián)準(zhǔn)周期、非周期側(cè)向調(diào)制啁啾不同結(jié)構(gòu)的光學(xué)超晶格本文檔共138頁；當(dāng)前第106頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分五、晶體的電光效應(yīng)1.什么是電光效應(yīng)廣義：在外加電場的作用下，晶體的光學(xué)性質(zhì)（折射率，吸收率等）發(fā)生變化的效應(yīng)。狹義：電致折射率變化（電致雙折射）2.電光效應(yīng)的分類在外加電場E的作用下，折射率與E的關(guān)系可寫為其中，n0是E=0時(shí)的線性折射率。本文檔共138頁；當(dāng)前第107頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分按照介質(zhì)折射率改變量與外加電場之間的函數(shù)關(guān)系的不同，可將電光效應(yīng)劃分為以下兩個(gè)大的類型：

1）線性電光效應(yīng)外加電場引起的晶體折射率改變量與電場強(qiáng)度的一次方成正比。1893年由德國物理學(xué)家泡克耳斯(F.C.Pockels)發(fā)現(xiàn)，又稱為Pockels效應(yīng)。

2）非線性電光效應(yīng)介質(zhì)折射率改變量不僅與外加電場的一次方有關(guān)，而且還與外加電場的二次方（即平方）、三次方、乃至任意的高次方有關(guān)，并且是它們的顯函數(shù)。

二次電光效應(yīng)：外加電場引起的晶體折射率改變量與電場強(qiáng)度的平方成正比。1875年由英國物理學(xué)家克爾(J.kerr)發(fā)現(xiàn)，又稱為Kerr效應(yīng)。

本文檔共138頁；當(dāng)前第108頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分注意：Pockels效應(yīng)為二階非線性效應(yīng)，只有那些不具有反演對稱性晶體才能產(chǎn)生。Kerr效應(yīng)為三階非線性效應(yīng)，所有非線性晶體都能產(chǎn)生。Kerr效應(yīng)比Pockels效應(yīng)強(qiáng)度要弱得多，因此，在無對稱中心的晶體中，通常只考慮線性電光效應(yīng)。3.電光效應(yīng)的測量由于折射率變化一般較小，通常采用干涉的方法測定?？捎糜诠馔ㄐ?、測距、顯示、傳感等領(lǐng)域。本文檔共138頁；當(dāng)前第109頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分4.幾種常見晶體的電光效應(yīng)1）KDP晶體的線性電光效應(yīng)

KDP(KH2PO4,磷酸二氫鉀)晶體：水溶液培養(yǎng)的一種人工晶體，在光電子技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用。優(yōu)點(diǎn)：很容易生長成大塊均勻晶體在0.2～1.5μm波長范圍內(nèi)透明度很高抗激光破壞閾值很高。缺點(diǎn)：易潮解。晶體結(jié)構(gòu)：KDP晶體是單軸晶體，屬四方晶系。屬于這一類型的晶體還有ADP(磷酸二氫氨)、KD*P(磷酸二氘鉀)等，它們同為42m晶體點(diǎn)群，光軸方向?yàn)閤3軸方向。本文檔共138頁；當(dāng)前第110頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分KDP型晶體外型圖未加電場時(shí)，KDP晶體為單軸晶體，折射率橢球?yàn)樾D(zhuǎn)橢球，在主軸坐標(biāo)系(折射率橢球主軸與晶軸重合)中，折射率橢球方程為:單軸晶體的尋常光和非常光主折射率加電場時(shí)，KDP晶體線性電光系數(shù)矩陣為本文檔共138頁；當(dāng)前第111頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分加電場時(shí)，KDP晶體的感應(yīng)折射率橢球?yàn)閕)縱向電光調(diào)制：外加電場平行于光軸(Ein//x3,k//x3)的電光效應(yīng)相應(yīng)于這種工作方式的晶片是從KDP型晶體上垂直于光軸方向(x3軸)切割下來的，通常稱為x3-切割晶片。在未加電場時(shí)，光沿著x3方向傳播不發(fā)生雙折射。當(dāng)平行于x3方向加電場時(shí)，感應(yīng)折射率橢球的表示式為：本文檔共138頁；當(dāng)前第112頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分x3-切割晶片沿光軸方向外加電場后，感應(yīng)折射率橢球的三個(gè)主軸方向?yàn)樵凵渎蕶E球的三個(gè)主軸繞x3軸旋轉(zhuǎn)45°得到，該轉(zhuǎn)角與外加電場的大小無關(guān)，但轉(zhuǎn)動(dòng)方向與電場方向有關(guān)。若取α=45°，折射率橢球方程為：這說明，KDP型晶體的x3-切割晶片在外加電場E3后，由原來的單軸晶體變成了雙軸晶體。本文檔共138頁；當(dāng)前第113頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分114光沿x3′(z方向)傳播

在外加電場E平行于x3軸(光軸)，而光也沿x3(x3′)軸方向傳播時(shí)，由γ63貢獻(xiàn)的電光效應(yīng)，叫γ63的縱向運(yùn)用。

本文檔共138頁；當(dāng)前第114頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分

這種情況下，相應(yīng)的兩個(gè)偏振分量的振動(dòng)方向分別平行于感應(yīng)折射率橢球的兩個(gè)主軸方向(x，y)，它們的折射率由nx′和ny′給出，這兩個(gè)偏振光在晶體中以不同的折射率(不同的速度)沿z軸傳播：通過長為l的晶體后的相位差通常把這種由外加電壓引起的二偏振分量間的相位差叫做“電光延遲”。本文檔共138頁；當(dāng)前第115頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分由上式可見，γ63縱向運(yùn)用所引起的電光延遲正比于外加電壓，與晶片厚度d無關(guān)。當(dāng)電光延遲φ=π時(shí)，相應(yīng)于兩個(gè)偏振光分量的光程差為半個(gè)波長，相應(yīng)的外加電壓叫半波電壓，以Vπ或Vλ/2表示。由此可以求得半波電壓為：注意：半波電壓只與材料特性和波長有關(guān)。如：在λ=0.55μm的情況下，KDP晶體的no=1.512,γ63

=10.6×10-10cm/V，Uλ/2=7.45kV;KD*P晶體的no=1.508,γ63=20.8×10-10cm/V,Uλ/2=3.8kV。本文檔共138頁；當(dāng)前第116頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分ii)橫向電光調(diào)制：E//x3′,光沿x2′(或x1′)方向傳播當(dāng)外加電壓平行于x3′軸方向，光沿x2′(或x1′)軸方向傳播時(shí)，γ63貢獻(xiàn)的電光效應(yīng)叫γ63的橫向運(yùn)用。這種工作方式通常對晶體采取45°-x3切割，即如圖所示，晶片的長和寬與x1、x2軸成45°方向。光沿晶體的［110］方向傳播，晶體在電場方向上的厚度為d，在傳播方向上的長度為l。

本文檔共138頁；當(dāng)前第117頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分當(dāng)沿x3方向外加電壓時(shí)，晶體的感應(yīng)折射率橢球的主軸方向系由原折射率橢球主軸繞x3軸旋轉(zhuǎn)45°得到，因此，光沿感應(yīng)折射率橢球的主軸方向x2′傳播時(shí)，相應(yīng)的兩個(gè)特許線偏振光的折射率為n1′和n3′，該二光由晶片射出時(shí)的相位差(“電光延遲”)為：等號右邊第一項(xiàng)表示由自然雙折射造成的相位差；第二項(xiàng)表示由線性電光效應(yīng)引起的相位差。本文檔共138頁；當(dāng)前第118頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分與γ63縱向運(yùn)用相比,γ63橫向運(yùn)用有兩個(gè)特點(diǎn)：i)電光延遲與晶體的長厚比l/d有關(guān)，因此可以通過控制晶體的長厚比來降低半波電壓，這是它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)；

ii)橫向運(yùn)用中存在著自然雙折射作用。由于自然雙折射(晶體的主折射率no、ne)受溫度的影響嚴(yán)重，所以對相位差的穩(wěn)定性影響很大。由于橫向運(yùn)用必須采取補(bǔ)償措施，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對兩塊晶體的加工精度要求很高，所以，一般只有在特別需要較低半波電壓的場合才采用。

本文檔共138頁；當(dāng)前第119頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分2）

其它具有線性電光效應(yīng)的晶體

i）LiNbO3型晶體：LiNbO3(鈮酸鋰)以及與之同類型的LiTaO3(鉭酸鋰)、BaTaO3(鉭酸鋇)等晶體。它們在0.4～5μm波長范圍內(nèi)的透過率高達(dá)98%，光學(xué)均勻性好，不潮解。其主要缺點(diǎn)是光損傷閾值較低。ii）GaAs、BGO型晶體：GaAs(砷化鎵)晶體、InAs(砷化銦)、CuCl(氯化銅)、ZnS(硫化鋅)、CdTe(碲化鎘)等；

iii）BGO(鍺酸)晶體、BSO(硅酸)在電光調(diào)制、光信息處理、光電子技術(shù)等領(lǐng)域內(nèi)，有著重要的應(yīng)用。本文檔共138頁；當(dāng)前第120頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分3）

具有二次電光效應(yīng)的晶體所有晶體都具有二次電光效應(yīng)。但是在沒有對稱中心的20類晶體中，它們的線性電光效應(yīng)遠(yuǎn)較二次電光效應(yīng)顯著，所以對于這類晶體的二次電光效應(yīng)一般不予考慮。在具有對稱中心的晶體中，它們最低階的電光效應(yīng)就是二次電光效應(yīng)，但人們感興趣的是屬于立方晶系的那些晶體的二次電光效應(yīng)。因?yàn)檫@些晶體在未加電場時(shí)，在光學(xué)上是各向同性的，這一點(diǎn)在應(yīng)用上很重要?？藸栃?yīng)可以存在于所有電介質(zhì)中，某些極性液體(如硝基苯)和鐵電晶體的克爾效應(yīng)很大。本文檔共138頁；當(dāng)前第121頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分幾個(gè)常見的Kerr非線性材料的參數(shù)材料折射率Bo10-14mV-2

n210-14cm2W-1Pcr(KW)cs21.603.63.033硝基苯1.553.08.3(ns)12(ns)苯1.490.670.7150玻璃BK71.510.0343100石英（熔融）1.450.0283900水1.330.320.13960空氣1atm1.000270.00347000本文檔共138頁；當(dāng)前第122頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分3.2.2非線性光學(xué)晶體材料一、概述激光頻率轉(zhuǎn)換(變頻晶體)(1)紅外波段頻率轉(zhuǎn)換晶體黃銅礦結(jié)構(gòu)型晶體:AgGaS2;AgGaSe2;CdGeAs2

等特點(diǎn):非線性光學(xué)系數(shù)很大,但能量轉(zhuǎn)換效率不高,受晶體光學(xué)質(zhì)量和尺寸大小的限制,得不到廣泛應(yīng)用.(2)從可見光到紅外波段的頻率轉(zhuǎn)換晶體磷酸鹽:磷酸二氫鉀(KDP)結(jié)構(gòu)型晶體和磷酸鈦氧鉀(KTP)型晶體

KDP特點(diǎn):具有優(yōu)良的壓電、電光和頻率轉(zhuǎn)換性能,易生長,得到廣泛應(yīng)用.KTP特點(diǎn):頻率轉(zhuǎn)換的”全能冠軍”材料碘酸鹽晶體:-碘酸鋰;碘酸;碘酸鉀等鈮酸鹽晶體:鈮酸鋰;鈮酸鉀;鈮酸鍶鋇等本文檔共138頁；當(dāng)前第123頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分(3)紫外波段的頻率轉(zhuǎn)換晶體偏硼酸鋇(BBO)晶體:倍頻系數(shù)大,倍頻閾值功率高,能在較寬的波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)相位匹配,激光損傷閾值高,物理化學(xué)性能穩(wěn)定.三硼酸鋰(LBO)晶體:透光波段寬,非線性光學(xué)系數(shù)大,激光損傷閾值最高的非線性光學(xué)晶體材料.LAP晶體:非線性光學(xué)系數(shù)大,紫外三倍頻和四倍頻轉(zhuǎn)換效率高,可制多頻率轉(zhuǎn)換器.2.電光晶體磷酸二氘鉀;鈮酸鋰;鉭酸鋰;氯化亞銅等特點(diǎn):能滿足綜合性能要求的晶體很少,有待于進(jìn)一步探索新型晶體.3.光折變晶體鈦酸鋇;鈮酸鉀;鈮酸鋰等特點(diǎn):仍需要尋找具有光折變靈敏度高,響應(yīng)速度快,衍射效率高等特點(diǎn)的新型光折變晶體材料.本文檔共138頁；當(dāng)前第124頁；編輯于星期六\1點(diǎn)54分二、非線性光學(xué)晶體應(yīng)具備的性能(一)大的非線性光學(xué)系數(shù)(二)適當(dāng)?shù)碾p折射率,能夠在應(yīng)用的波段區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)相位匹配,而且相位匹配的角度寬容度和溫度寬容度要大,如果能夠?qū)崿F(xiàn)非臨界相位匹配或通過溫度調(diào)諧等方法實(shí)現(xiàn)非臨界相位匹配則更好.(三)足夠高的抗光損傷閾值.(四)良好的化學(xué)穩(wěn)定性,不易風(fēng)化,不易潮解,在較寬的溫度范圍內(nèi)無相變,不分解,以保證能在沒有特殊保護(hù)的條件下長期使用.良好的力學(xué)性能使晶體易于切割拋磨,鍍覆各種光學(xué)膜層,制作各種實(shí)用器件,也是十分重要的.(五)具有良好的生長特性，原料價(jià)格適當(dāng)、生長工藝穩(wěn)定、能夠生長出大尺寸的優(yōu)質(zhì)單晶等。非線性光學(xué)晶體一般是絕緣體，對于激光是透明的。非線性光學(xué)效應(yīng)發(fā)生在那些具有非