固體激光材料與非線性光學功能材料

激光器簡稱鐳射（Laser）是英文“Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation”首寫字母的縮寫，意為受激發(fā)射光放大器。激光器發(fā)射的光就是激光，它有4大特點：（1）亮度極高，比太陽的亮度可高幾十億倍；（2）單色性好，譜線寬度與單色性最好的氪同位素16Kr燈發(fā)出的光相比，也只是后者的十萬分之一；（3）方向性好，光束的散射角可達到毫弧度。（4）相干性好。激光束可用于加工高熔點材料，也可用于醫(yī)療、精密計量、測距、全息檢測、農(nóng)作物育種、同位素分離、催化、信息處理、引發(fā)核聚變、大氣污染監(jiān)測以及基本科學研究各方面，有力地促進了物理、化學、生物、信息等諸多學科的發(fā)展。激光器按其工作物質可以還分為固體激光器、氣體激光器和液體染料激光器?？梢姡す夤ぷ魑镔|對激光器的發(fā)展起著決定性的作用。3.1固體激光材料當前1頁，總共139頁。激光與激光器（1）激光產(chǎn)生的原理

固體激光器本質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，向其中引入某種雜質離子作活化發(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。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，從一個活化中心發(fā)出的光刺激其他活化中心，以致輻射在整個相中進行，于是就構成了相干輻射的強烈光束或脈沖。當前2頁，總共139頁。(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過程，各發(fā)光原子的發(fā)光過程各自獨立，互不關聯(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)能級有一個寬度，所以發(fā)射光的頻率也不是單一的，而有一個范圍。(自發(fā)輻射只與原子本身性質有關，與輻射場的無關）受激輻射時,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。當前3頁，總共139頁。必要條件：

粒子數(shù)反轉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)生的條件當前4頁，總共139頁。粒子數(shù)反轉----光放大的內部條件

一個入射光子不僅能引起受激輻射，而且也能引起受激吸收，所以只有當處在高能級的原子數(shù)目比處在低能級的還多時，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。但在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級（基態(tài)）。因此，如何從技術上實現(xiàn)粒子數(shù)反轉則是產(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，在這種介質中可以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。要求：工作物質具有亞穩(wěn)態(tài)能級。當前5頁，總共139頁。原子處在激發(fā)態(tài)時間很短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，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，達到光放大的目的。工作物質內部結構鉻離子、釹離子、氖原子、二氧化碳分子、氬離子當前6頁，總共139頁。激光工作物質是三能級或四能級結構。如果激勵過程使原子從基態(tài)E1以很大概率W抽運到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,E2和E1之間就可能形成粒子數(shù)反轉。三能級系統(tǒng)n2n1n3E1E2E3當前7頁，總共139頁。

在外界激勵下，基態(tài)E1的粒子大量地躍遷到E4，然后迅速轉移到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E2上的粒子會很快回到基態(tài)E1。所以在E3和E2之間可能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。

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)反轉比三能級系統(tǒng)容易實現(xiàn)。n1四能級系統(tǒng)E1E2E3E4N2n3n4(快）(慢）當前8頁，總共139頁。泵浦源----粒子束反轉的外部條件必須用外界能量來激勵工作物質，建立粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)。將粒子從低能級抽運到高能級態(tài)的裝置，稱為泵浦源。它是形成激光的外因。激光器是一個能量轉換器件，它將泵浦源輸入的能量轉變?yōu)榧す饽芰?。從直接完成粒子?shù)反轉的方式來分，泵浦方式可分為：光激勵方式，氣體輝光放電或高頻放電方式，直接注入電子方式，化學反應方式還有熱激勵、沖擊波、電子束、核能等方式。其次，當物質處于熱平衡態(tài)時，粒子束反轉是不可能的，只有當外界向物質供給能量（稱為泵浦或激勵）使物質處于非平衡態(tài)時，粒子束反轉才能實現(xiàn)。泵浦或激勵過程是光放大的必要條件。當前9頁，總共139頁。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當前10頁，總共139頁。激光能夠產(chǎn)生的閾值條件：增益大于損耗

在諧振腔內還存在許多損耗機制，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。如果各種損耗的結果抵消了諧振腔內的光放大過程，則不可能有激光輸出。因此光的增益超過損耗時，光波才能被放大，進而振蕩，即有閾值條件：R1*R2*exp(2gL)>=1

穩(wěn)定振蕩條件－－增益飽和效應激光強度將隨傳播距離的增加而呈指數(shù)關系上升，但是激光強度不會無限制的增大。當入射光強度足夠弱時，增益系數(shù)與光強無關，是一個常量；而當入射光強增加到一定時，增益系數(shù)將減小，這種現(xiàn)象稱為增益飽和現(xiàn)象。當前11頁，總共139頁。激活物質光放大的描述：增益增益系數(shù):光通過單位長度激活物質后光強增加的百分數(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處的初始光強當前12頁，總共139頁。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.當I?Is時,g(I)=g0為常數(shù),且不隨z變化,即小信號情況.當I?Is不能滿足時,g(I)為大信號增益系數(shù)或飽和增益系數(shù).飽和光強當前13頁，總共139頁。增益大于損耗（光的自激振蕩，閾值條件）在光放大的同時，光通過介質通常還有損耗。損耗系數(shù):光通過激活物質單位距離后光強衰減的百分數(shù).同時考慮增益和損耗，則有當時，說明Im只與放大器本身的參數(shù)有關，而與初始光強I0無關。無論初始光強I0多么微弱，只要放大器足夠長，就能形成確定大小的光強Im，這種現(xiàn)象稱為自激振蕩。這表明,當放大器足夠長時,它可能成為一個自激振蕩器.諧振腔當前14頁，總共139頁。因此，激光產(chǎn)生的條件可歸納為：條件1：激光工作物質必須有亞穩(wěn)態(tài)條件2：選擇適當?shù)墓ぷ魑镔|，使得受激發(fā)射大于受激吸收條件3：能使工作物質產(chǎn)生粒子束反轉的外部條件---泵浦源條件4：需有一個諧振腔，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，實現(xiàn)光放大能夠實現(xiàn)粒子束反轉產(chǎn)生和維持光振蕩，實現(xiàn)光放大，選擇發(fā)射頻率和方向使反轉粒子束達到激光輸出的閾值條件當前15頁，總共139頁。LASER：受激輻射光放大LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation當前16頁，總共139頁。（4）激光產(chǎn)生和激光器的組成激光器的組成（三部分）：激光工作物質光學諧振腔激勵源（泵浦）當前17頁，總共139頁。光學諧振腔：通過工作物質對激光提供反饋，以激發(fā)更多的光發(fā)射。工作物質：能夠借外來能源激勵實現(xiàn)粒子數(shù)反轉并產(chǎn)生受激輻射放大作用的物質系統(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、化學激勵、核能激勵)等激發(fā)源激發(fā)工作物質實現(xiàn)激射。當前18頁，總共139頁。工作物質

激光器最重要的部分是工作物質，包括激活離子和基質。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）作準分子氣體（XeF、KrF）

物

有機熒光染料（如羅丹明6B）

質

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）其它當前19頁，總共139頁。（5）激光的特性方向性單色性相干性能量高度集中當前20頁，總共139頁。當前21頁，總共139頁。當前22頁，總共139頁。當前23頁，總共139頁。當前24頁，總共139頁。當前25頁，總共139頁。激光器的分類激勵方式工作物質工作方式輸出波長諧振腔結構（5）激光器的種類當前26頁，總共139頁。工作物質：固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導體激光器、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；激勵方式：電激勵激光器、光泵浦激光器、熱能激勵激光器、化學激光器；諧振腔結構：內腔激光器、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；當前27頁，總共139頁。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)激光器激勵方式：電激勵（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；光束質量好，發(fā)散角可小于1mrad；單色性好，帶寬可小于20Hz）結構簡單緊湊，穩(wěn)定性高（壽命可達數(shù)萬小時）連續(xù)工作方式，主要用于多用于檢測和干涉計量當前28頁，總共139頁。常見的幾種激光器2）CO2激光器分子氣體激光器（最重要、應用最廣泛的激光器）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（能量轉換效率達20~25%）光束質量好功率范圍大（幾瓦～數(shù)十萬瓦，）熱效應高：脈沖輸出能量可達數(shù)萬焦耳結構、運行方式多樣應用：激光刀、醫(yī)療、紅外測距、通信等當前29頁，總共139頁。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)獲得可調寫激光最簡單方便的方法）四能級系統(tǒng)激光器激勵方式：光激勵波長可調諧，調諧范圍寬（0.34~1.2μm）每個脈沖激光能量可達數(shù)十焦耳，峰值功率達幾百兆瓦，能量轉換效率高達50%結構簡單價格便宜穩(wěn)定性差當前30頁，總共139頁。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當前31頁，總共139頁。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，至今仍是一個重要的系統(tǒng)）紅寶石激光器以剛玉為基質晶體，摻入0.05%wt的Cr3+作激活離子。剛玉化學式為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)激光器激勵方式：光激勵123當前32頁，總共139頁。反射鏡閃爍燈紅寶石開關激光束紅寶石激光器的構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，還可以在兩側也裝上燈，使得它從各方向都受到有效的輻照。棒的一個側端裝有一個鏡子，使得發(fā)出光又返回棒中。另一側端裝有Q閥。其實這是一個可旋轉的鏡子，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，只是當光束強度達到最佳要求時才被發(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度變大。紅寶石激光器的構造當前33頁，總共139頁。用氙燈的強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間可以將這種激發(fā)狀況普遍化，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。從能級2E回到基態(tài)就產(chǎn)生激光。在這一轉變過程，晶體相中許多離子互相激勵，便產(chǎn)生了強的波長為693nm的相干紅光脈沖。紅寶石激光器能級結構當前34頁，總共139頁。紅寶石激光器輸出特性右側反射鏡反射率約為50%時最佳：閾值較低，腔內光能密度較大，耦合效率較高，激光輸出最強。當前35頁，總共139頁。紅寶石激光器工作特性當前36頁，總共139頁。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（化學式Y3Al5O12，記作YAG）為基質，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)激光器激勵方式：光激勵1234當前37頁，總共139頁。Nd3+：YAG激光器能級結構4F3/2

4I9/20.946μm4F3/2

4I11/21.06μm4F3/2

4I13/2

1.35μm2023/3/1338當前38頁，總共139頁。Nd3+：YAG激光器輸出特性連續(xù)工作Nd3+：YAG激光器輸出特性39當前39頁，總共139頁。Nd3+：YAG激光器工作特性連續(xù)工作Nd3+：YAG激光器工作特性當前40頁，總共139頁。常見的幾種激光器5）半導體激光器（種類繁多，第四章）屬于固體激光器工作物質：半導體材料激勵方式：電激勵、光激勵超小型、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%，能量轉換效率大于30%；（能量轉換效率大大超過一般的固體工作物質）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，可達百萬小時以上；準連續(xù)輸出功率達300W，脈沖輸出功率達1000W以上。當前41頁，總共139頁。2.固體激光工作物質：基質與激活離子固體激光工作物質是將發(fā)光中心(激活離子)摻入基質材料而構成。激光光譜特性由激活離子的能帶結構決定，基質材料則主要決定工作物質的物理、化學、機械性能。（1）對固體激光材料的基本要求

要求：具備清晰的熒光線、強的吸收帶及相當高的量子效率，優(yōu)良的光學、熱學性能和機械性能。

當前42頁，總共139頁。1）離子大小：晶體的晶格格點必須與激活離子的大小相當。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：摻雜劑價態(tài)如與基質陽離子不同，則要采取適當?shù)碾姾裳a償技術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,濃度猝滅效應小,熒光壽命足夠長.當前43頁，總共139頁。5）理想晶體應對泵浦波長有較強吸收，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）光學質量高,缺陷少,內應力小.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、化學和機械性能.熱導率高,熱膨脹系數(shù)小,化學穩(wěn)定性好,機械強度高,耐水性好,熔點高,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“9”，總雜質含量不得超過1－10ppm。當前44頁，總共139頁。（2）基質材料：可粗略分為晶體和玻璃兩大類I基質晶體優(yōu)點：熱導率高、硬度高、熒光譜線較窄。缺點：光學質量和摻雜的均勻性比基質玻璃差。①金屬氧化物。如藍寶石、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基質玻璃優(yōu)點：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材料。缺點：熱導率低、熒光譜線寬。硅酸鹽、磷酸鹽、氟磷酸鹽、硼酸鹽玻璃等。當前45頁，總共139頁。（3）激活離子(發(fā)光中心)主要包括：1）稀土離子:[三價]釹、鐠、釤、銪、鏑、鈥、鉺、鐿等;[二價]釤、鉺、銩、鏑等2)過渡族金屬離子:[三價]鉻、鈦、鎳、鈷等3)錒系離子：U3+(其它多有放射性，實用性差)（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：易于實現(xiàn)高摻雜而無明顯淬滅效應、高效率、低閾值定義：激活離子本身是基質晶體組成部分的激光工作物質。當前46頁，總共139頁。當前47頁，總共139頁。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，是固體激光技術及產(chǎn)業(yè)的基礎支撐材料。先進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的發(fā)展與應用也是衡量一個國家或地區(qū)高科技發(fā)展水平的重要標志之一。

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用領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。當前48頁，總共139頁。目前，人們已經(jīng)研制出幾百種激光晶體實現(xiàn)了激光輸出，但獲得實際應用的只有幾十種，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）應用領域：工業(yè)、軍事、醫(yī)療、科研等各領域其中，Nd：YAG晶體是應用最廣泛的激光晶體，產(chǎn)量占激光晶體總量的50-65%。當前49頁，總共139頁。（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：光束質量好、壽命長、結構更緊湊應用領域：軍事、工業(yè)、醫(yī)療、科研等領域其中，Nd：YVO4是目前大量應用的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。當前50頁，總共139頁。（3）可調諧波長激光晶體主要用于波長可調的激光器的晶體，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連續(xù)可調。目前，商品化的可調諧晶體主要有：Ti:Al2O3（摻鈦藍寶石）Cr:BeAl2O4（金綠寶石）Cr:LiSAF（摻鉻氟鋁鈣鋰）Tm:YAG（摻銩釔鋁石榴石）應用領域：科研、軍事、醫(yī)療目前，Ti:Al2O3是應用最廣泛的室溫工作寬帶可調諧激光晶體，可調諧波長范圍為660~1180nm，主要用于脈沖、連續(xù)可調諧激光器和飛秒級超短脈沖，太瓦級超強脈沖激光器。當前51頁，總共139頁。（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開關激光器應用領域：激光醫(yī)療、軍事、科研當前52頁，總共139頁。1）摻稀土離子的激光晶體

將稀土離子（摩爾分數(shù)~1%）摻入晶體基質材料中，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，應用最廣泛的是Nd3+摻Nd3+釔鋁石榴石:Nd：YAG優(yōu)點：量子效率高>99.5%;熒光壽命長；激光特性穩(wěn)定，受溫度影響?。豢蛇B續(xù)、準連續(xù)、脈沖工作；功率調諧方便，是目前實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晶體具有光學均勻性好、機械性能好、物化穩(wěn)定性高、熱導性好等優(yōu)點，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、通訊和軍事等領域。如激光武器、激光測距、激光目標指示、激光探測、激光打標、激光加工（包括切割、打孔、焊接以及內雕等）、激光醫(yī)療等等。(發(fā)射波長1064nm)按照激活離子種類分：當前53頁，總共139頁。2）摻過渡金屬離子的激光晶體紅寶石：在藍寶石晶體(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：硬度高、熱導率高、結構和化學組分穩(wěn)定、抗腐蝕和抗光損傷能力強缺點：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、全息照相等當前54頁，總共139頁。3）激光玻璃激光玻璃與前二者相比，基質材料為無序結構，閾值通常更高。目前，只有稀土離子在基質玻璃中實現(xiàn)了激光發(fā)射。

釹(Nd)玻璃：在某種成分的基質玻璃（常用的有硅酸鹽和磷酸鹽玻璃）中摻入適量的Nd2O3而制成。（摻雜質量分數(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：熒光壽命長、儲能高（適于高能量脈沖工作）、熒光線寬很寬（鎖模器件）缺點：熱導率低、熱膨脹系數(shù)大、不適用連續(xù)工作或重復頻率非常高的激光運轉當前55頁，總共139頁。

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，使籽晶桿下降進入爐子的較冷部分隨即結晶。該法設備簡單、不用坩堝，適于生長熔點大于1800℃(可達2500℃)的晶體如紅寶石、釔鋁石榴石(Y3A15O12)和Y2O3等基質晶體，缺點是晶體內應力大、位錯密度高及存在化學不均勻性。4.激光晶體制備方法當前56頁，總共139頁。2)直拉法適于生長共熔化合物單晶，易自動化，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的氮氣氛中生長(感應加熱)，已生長出直徑130mm、長100mm的晶坨，晶體尺寸大、質量高、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。當前57頁，總共139頁。

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150mm的激光棒。還制出直徑75mm的非摻YAG晶錠。由于生長時間慢(0.5mm/h)，生長10~15cm長的晶棒，耗時數(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，已實現(xiàn)高功率輸出，近年內可望制成千瓦級小型固體激光器，其激射波長為1．054μm。當前58頁，總共139頁。

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，爐溫決定液體內的溫度梯度，熱交換器的溫度決定固體內的溫度梯度。固液界面因浸沒在熔體表面以下，不受機械和溫度擾動的影響，故可實現(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(藍寶石)，能獲得大尺寸優(yōu)質晶體，如Φ65mm的Co：MgF2晶體和Φ320mm、重50Kg的藍寶石晶體。3)熱交換器(HEM)法當前59頁，總共139頁。5.應用工業(yè)應用：激光切割機、激光焊接、激光打標、微加工機等軍事應用：激光雷達、激光制導武器、紅外定向干擾、空間和水下通信、高能激光武器等醫(yī)療領域：固體激光治療儀已廣泛應用于幾乎所有醫(yī)學?？疲す忉t(yī)療已逐步形成獨立的產(chǎn)業(yè)科研領域：激光核聚變、激光等離子體、激光測量、激光光譜、激光化學、激光生物學等其它應用需求：通信、能源、環(huán)保等領域當前60頁，總共139頁。

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1020瓦/cm2以上。

6.激光發(fā)展的新特點當前61頁，總共139頁。7.激光與非線性光學的關系激光的出現(xiàn)帶動了非線性光學的發(fā)展，非線性光學的發(fā)展推動了激光的應用研究梅曼（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。利用介質的非線性響應可以產(chǎn)生新的激光頻率當前62頁，總共139頁。一、非線性光學發(fā)展史1960-70年代：激光的出現(xiàn)從1961年Franken首次發(fā)現(xiàn)光學二次諧波開始，展現(xiàn)許多非線性光學效應。建立非線性光學的基本理論。1980-90年代：激光光源和非線性光學材料大發(fā)展(光源,材料要求)

人工設計和合成新材料（新的無機晶體，有機高分子材料，半導體人工微結構)光折變材料的發(fā)現(xiàn)和研究更加實用化（新光源，光譜技術，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結合,低光強產(chǎn)生非線性光學效應光子晶體和微結構光纖，利用原子的量子相干性(超低速，量子非線性光學）頻率變換技術的進步3.2.1晶體的非線性光學基礎3.2非線性光學功能材料當前63頁，總共139頁。二、什么是非線性光學1.線性光學1）特點2)本構方程入射光的電場強度比介質中原子內的場強小得多，光與介質相互作用，導致介質被極化?光的頻率不會改變?光波疊加原理?光學參數(shù)與光強無關(折射率，吸收系數(shù)，散射截面等)

?光波之間沒有相互作用當前64頁，總共139頁。2.非線性光學1）非線性光學現(xiàn)象當前65頁，總共139頁。當前66頁，總共139頁。laser1.064um1.319umlenssamplescreen0.532um0.588um0.660umCerenkov’sChristmasTree當前67頁，總共139頁。2）非線性光學的理論描述考慮光對非線性介質（絕緣非磁性）的作用（介質對光的響應）：主要考慮電極化強度一般關系：強光入射介質時，介質內產(chǎn)生非線性電極化，極化強度可按電場強度的冪級數(shù)展開當前68頁，總共139頁。不同階極化有不同的頻率成分：線性極化

每個頻率分量必定與電場的同頻率分量成線性關系,

(線性，各向異性，色散）當前69頁，總共139頁。二階非線性極化

所有頻率成分應當和場強二并矢EE的各個頻率成分相對應

二階非線性極化的任一頻率成分可表示為

當前70頁，總共139頁。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71當前71頁，總共139頁。例1：介質中輸入頻率為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72當前72頁，總共139頁。入射單色強光電場強度恒定電場基頻成分倍頻成分當前73頁，總共139頁。Vw2ww----++++(1）是二次諧波發(fā)生(最典型、最基本、最重要的二階效應)

(2）是光學整流效應（一種特殊的二階效應）74當前74頁，總共139頁。例2：介質中輸入頻率為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

75當前75頁，總共139頁。入射兩種不同頻率的強光和頻成分差頻成分當激光與非線性介質作用，入射光通過介質后，其輸出頻率較入射頻率有所變化，介質除輻射直流、基頻和倍頻成分，還將輻射頻率為和頻與差頻的光波，稱為光學混頻。當前76頁，總共139頁。二、典型的二階非線性光學過程（輸入頻率為w1,w2）當前77頁，總共139頁。光參量放大（OpticalparametricAmplification,OPA）考慮當一種頻率較低的弱信號光s與另一種頻率較高的強泵浦光p同時入射到非線性介質內時將要產(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，強的泵浦光p將有所減弱，同時，非線性介質還將輻射出第三種相干光i=p-s，稱為閑頻光。這種非線性光學效應稱為光學參量放大效應，簡稱OPA。非線性光學晶體目的: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當前78頁，總共139頁。光學參量過程的量子解釋：光學參量過程可理解為分兩步完成：1）一個能量為hp的泵浦光子的湮滅，而介質的某一個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)并同時輻射出兩個能量分別為hs和hi的光子。當前79頁，總共139頁。討論：1）強泵浦光和弱信號光的強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。當前80頁，總共139頁。光參量振蕩（Opticalparametricoscillator,OPO）在光學參量放大過程的基礎上，如果進一步采用光學反饋裝置共振腔，則在參量放大作用大于腔內各種損耗作用的條件下，可同時在頻率s和i處產(chǎn)生相干光振蕩，即光學參量振蕩，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)有關系。當前81頁，總共139頁。典型的二階非線性光學效應：倍頻（Secondharmonicgeneration,SHG）三波混頻（ThreeHamonicWaveMixing，THWM）

和頻，差頻光整流效應（Opticalrectificationeffect，OR）光參量放大（OpticalparametricAmplification,OPA）光參量振蕩（Opticalparametricoscillator,OPO）泡克耳斯效應（Pockelseffect）:線性電光效應當前82頁，總共139頁。三、三階非線性光學效應三倍頻（Threeharmonicgeneration,THG）四波混頻（FourHamonicWaveMixing，F(xiàn)HWM）自聚焦效應（Self-Focusingeffect）光學孤子（OpticalSoliton）光學雙穩(wěn)（OpticalBistability,OA）雙光子吸收（TPA）受激拉曼（SRS）光克爾效應（Kerreffect）：二次電光效應當前83頁，總共139頁。四、非線性光學頻率轉換過程的相位匹配相位匹配什么是相位匹配？非線性光學頻率轉換過程為什么會存在相位匹配問題？下面我們以倍頻為例加以說明。設入射基波頻率為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方程當前84頁，總共139頁。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，耦合波方程組的解當前85頁，總共139頁。即：非線性倍頻波的光強隨z的變化相干長度當z=Lc時，能量由基波流向諧波首次達到最大。當相位失配Dk=0（即完全相位匹配），則相干長度無限大,此時能量單向地從基頻波流向倍頻波。當前86頁，總共139頁。非線性倍頻轉換效率與哪些因素有關：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）當前87頁，總共139頁。極化波頻率傳輸常數(shù)電磁波2.相位匹配條件能量守恒、動量守恒對于倍頻過程，相位匹配條件：對于三波混頻過程：當前88頁，總共139頁。利用相位匹配技術,可使對倍頻,上式變?yōu)樯鲜绞蔷w倍頻效應的相位匹配條件。滿足這一條件時，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，得到有效的倍頻光輸出。相位匹配的方式：共線匹配；非共線匹配當前89頁，總共139頁。3.實現(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，實現(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行討論。當前90頁，總共139頁。(1a)角度相位匹配:球面:o光折射率面實線:基頻光虛線:倍頻光橢球面:e光折射率面實線:基頻光虛線:倍頻光M點:o光基頻光與e光倍頻光折射率交點PM方向:相位匹配方向M:相位匹配角ne<noPhase-Matching：PM負單軸晶體：I類匹配負單軸晶體的I類匹配只能是當前91頁，總共139頁。負單軸晶體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類匹配只能是當前92頁，總共139頁。角度相位匹配的缺點

對匹配角度要求很敏感

有離散效應(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。當前93頁，總共139頁。(1b)溫度相位匹配

對于某些非線性光學晶體,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?shù)卣{節(jié)溫度來實現(xiàn)相位匹配.以

負單軸晶體為例：I類匹配時溫度匹配的條件：II類匹配時溫度匹配的條件：

當前94頁，總共139頁。(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晶體都能實現(xiàn)90o的相位匹配。(P470)（1a）、（1b）統(tǒng)稱雙折射匹配（BPM）。當前95頁，總共139頁。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當前96頁，總共139頁。(2)準相位匹配（QPM）Gm=2m/Bloembergen,N.--GmBloembergen,N.將鐵電晶體的極性周期性反轉,用光柵波矢來抵消相位失配，從而達到相位匹配。極性反轉則光軸也反轉，這對線性極化率沒有影響,即線性折射率不會因光軸的反向而改變,但會使二階非線性極化率有些分量要變號。

當前97頁，總共139頁。(BPM)(BPM&QPM)

(QPM)LBO、BBO、KTP……LN、LT、KTP……當前98頁，總共139頁。準相位匹配下的二次諧波發(fā)生當前99頁，總共139頁。準相位匹配的優(yōu)缺點不受雙折射的限制,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)以提高轉換效率可利用半導體集成技術加工成波導形式,有利于和光纖及其它光波導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：

極化技術當前100頁，總共139頁。

(Appl.Phys.Lett.37,607(1980)當前101頁，總共139頁。SchematicdiagramPs室溫電場圖案極化制備光學超晶格極化裝置示意圖應用物理學報(J.Appl.Phys.77,5481(1995))應用物理快報(Appl.Phys.Lett.68,2781(1995))當前102頁，總共139頁。光刻膠導電介質0.5–2mmLN、LT、KTP晶片高壓電源50mm室溫電場圖案極化制備光學超晶格當前103頁，總共139頁。室溫電場圖案極化制備光學超晶格LiTaO3,LiNbO3,KTP……當前104頁，總共139頁。多通道扇形周期可調級聯(lián)準周期、非周期側向調制啁啾不同結構的光學超晶格當前105頁，總共139頁。五、晶體的電光效應1.什么是電光效應廣義：在外加電場的作用下，晶體的光學性質（折射率，吸收率等）發(fā)生變化的效應。狹義：電致折射率變化（電致雙折射）2.電光效應的分類在外加電場E的作用下，折射率與E的關系可寫為其中，n0是E=0時的線性折射率。當前106頁，總共139頁。按照介質折射率改變量與外加電場之間的函數(shù)關系的不同，可將電光效應劃分為以下兩個大的類型：

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

2）非線性電光效應介質折射率改變量不僅與外加電場的一次方有關，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，并且是它們的顯函數(shù)。

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

當前107頁，總共139頁。注意：Pockels效應為二階非線性效應，只有那些不具有反演對稱性晶體才能產(chǎn)生。Kerr效應為三階非線性效應，所有非線性晶體都能產(chǎn)生。Kerr效應比Pockels效應強度要弱得多，因此，在無對稱中心的晶體中，通常只考慮線性電光效應。3.電光效應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、傳感等領域。當前108頁，總共139頁。4.幾種常見晶體的電光效應1）KDP晶體的線性電光效應

KDP(KH2PO4,磷酸二氫鉀)晶體：水溶液培養(yǎng)的一種人工晶體，在光電子技術中有廣泛的應用。優(yōu)點：很容易生長成大塊均勻晶體在0.2～1.5μm波長范圍內透明度很高抗激光破壞閾值很高。缺點：易潮解。晶體結構：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晶體點群，光軸方向為x3軸方向。當前109頁，總共139頁。KDP型晶體外型圖未加電場時，KDP晶體為單軸晶體，折射率橢球為旋轉橢球，在主軸坐標系(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，KDP晶體線性電光系數(shù)矩陣為當前110頁，總共139頁。加電場時，KDP晶體的感應折射率橢球為i)縱向電光調制：外加電場平行于光軸(Ein//x3,k//x3)的電光效應相應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，光沿著x3方向傳播不發(fā)生雙折射。當平行于x3方向加電場時，感應折射率橢球的表示式為：當前111頁，總共139頁。x3-切割晶片沿光軸方向外加電場后，感應折射率橢球的三個主軸方向為原折射率橢球的三個主軸繞x3軸旋轉45°得到，該轉角與外加電場的大小無關，但轉動方向與電場方向有關。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。當前112頁，總共139頁。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，由γ63貢獻的電光效應，叫γ63的縱向運用。

113當前113頁，總共139頁。

這種情況下，相應的兩個偏振分量的振動方向分別平行于感應折射率橢球的兩個主軸方向(x，y)，它們的折射率由nx′和ny′給出，這兩個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”。當前114頁，總共139頁。由上式可見，γ63縱向運用所引起的電光延遲正比于外加電壓，與晶片厚度d無關。當電光延遲φ=π時，相應于兩個偏振光分量的光程差為半個波長，相應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。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。當前115頁，總共139頁。ii)橫向電光調制：E//x3′,光沿x2′(或x1′)方向傳播當外加電壓平行于x3′軸方向，光沿x2′(或x1′)軸方向傳播時，γ63貢獻的電光效應叫γ63的橫向運用。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。

當前116頁，總共139頁。當沿x3方向外加電壓時，晶體的感應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45°得到，因此，光沿感應折射率橢球的主軸方向x2′傳播時，相應的兩個特許線偏振光的折射率為n1′和n3′，該二光由晶片射出時的相位差(“電光延遲”)為：等號右邊第一項表示由自然雙折射造成的相位差；第二項表示由線性電光效應引起的相位差。當前117頁，總共139頁。與γ63縱向運用相比,γ63橫向運用有兩個特點：i)電光延遲與晶體的長厚比l/d有關，因此可以通過控制晶體的長厚比來降低半波電壓，這是它的一個優(yōu)點；

ii)橫向運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)受溫度的影響嚴重，所以對相位差的穩(wěn)定性影響很大。由于橫向運用必須采取補償措施，結構復雜，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。

當前118頁，總共139頁。2）

其它具有線性電光效應的晶體

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波長范圍內的透過率高達98%，光學均勻性好，不潮解。其主要缺點是光損傷閾值較低。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)在電光調制、光信息處理、光電子技術等領域內，有著重要的應用。當前119頁，總共139頁。3）

具有二次電光效應的晶體所有晶體都具有二次電光效應。但是在沒有對稱中心的20類晶體中，它們的線性電光效應遠較二次電光效應顯著，所以對于這類晶體的二次電光效應一般不予考慮。在具有對稱中心的晶體中，它們最低階的電光效應就是二次電光效應，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。因為這些晶體在未加電場時，在光學上是各向同性的，這一點在應用上很重要?？藸栃梢源嬖谟谒须娊橘|中，某些極性液體(如硝基苯)和鐵電晶體的克爾效應很大。當前120頁，總共139頁。幾個常見的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當前121頁，總共139頁。3.2.2非線性光學晶體材料一、概述激光頻率轉換(變頻晶體)(1)紅外波段頻率轉換晶體黃銅礦結構型晶體:AgGaS2;AgGaSe2;CdGeAs2

等特點:非線性光學系數(shù)很大,但能量轉換效率不高,受晶體光學質量和尺寸大小的限制,得不到廣泛應用.(2)從可見光到紅外波段的頻率轉換晶體磷酸鹽:磷酸二氫鉀(KDP)結構型晶體和磷酸鈦氧鉀(KTP)型晶體

KDP特點:具有優(yōu)良的壓電、電光和頻率轉換性能,易生長,得到廣泛應用.KTP特點:頻率轉換的”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;鈮酸鍶鋇等當前122頁，總共139頁。(3)紫外波段的頻率轉換晶體偏硼酸鋇(BBO)晶體:倍頻系數(shù)大,倍頻閾值功率高,能在較寬的波段內實現(xiàn)相位匹配,激光損傷閾值高,物理化學性能穩(wěn)定.三硼酸鋰(LBO)晶體:透光波段寬,非線性光學系數(shù)大,激光損傷閾值最高的非線性光學晶體材料.LAP晶體:非線性光學系數(shù)大,紫外三倍頻和四倍頻轉換效率高,可制多頻率轉換器.2.電光晶體磷酸二氘鉀;鈮酸鋰;鉭酸鋰;氯化亞銅等特點:能滿足綜合性能要求的晶體很少,有待于進一步探索新型晶體.3.光折變晶體鈦酸鋇;鈮酸鉀;鈮酸鋰等特點:仍需要尋找具有光折變靈敏度高,響應速度快,衍射效率高等特點的新型光折變晶體材料.當前123頁，總共139頁。二、非線性光學晶體應具備的性能(一)大的非線性光學系數(shù)(二)適當?shù)碾p折射率,能夠在應用的波段區(qū)域內實現(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,如果能夠實現(xiàn)非臨界相位匹配或通過溫度調諧等方法實現(xiàn)非臨界相位匹配則更好.(三)足夠高的抗光損傷閾值.(四)良好的化學穩(wěn)定性,不易風化,不易潮解,在較寬的溫度范圍內無相變,不分解,以保證能在沒有特殊保護的條件下長期使用.良好的力學性能使晶體易于切割拋磨,鍍覆各種光學膜層,制作各種實用器件,也是十分重要的.(五)具有良好的生長特性，原料價格適當、生長工藝穩(wěn)定、能夠生長出大尺寸的優(yōu)質單晶等。非線性光學晶體一般是絕緣體，對于激光是透明的。非線性光學效應發(fā)生在那些具有非對稱中心的材料上，并且它們具有高度可極化性、也是具有高折射率的晶體。許多非線性光學晶體可通過引入如鐵電材料的離子來擴展其可極化性。當前124頁，總共139頁。非線性光學晶體材料用于激光頻率轉換晶體，可將有限的激光波長轉換成新波長的激光，這是現(xiàn)今獲得新激光的光源的重要手段。激光頻率轉換晶體的性能要求1）晶體具有大的非線性光學系數(shù)2）晶體能夠實現(xiàn)相位匹配，最好能實現(xiàn)90度最佳相位匹配3）透光波段寬、透明度高