硅酸镓镧族非线性光学晶体
发布时间：2021-02-22 08:27
中红外非线性光学晶体可以实现中红外激光频率转换、拓展激光波长,在民用和军用领域中有至关重要的应用价值。其中,硅酸镓镧族晶体具有透过范围宽、激光损伤阈值高、晶体质量好等优势,引起了国内外同行的广泛关注。在这篇综述中,我们基于现有的实验数据,研究和分析了三种重要的硅酸镓镧族晶体La3Ga5Si O14（LGS）、La3Ga5.5Nb0.5O14（LGN）、La3Ga5.5Ta0.5O14（LGT）的综合性能,详细总结了它们在电光调Q开关和中红外光参量振荡以及差频激光输出方面的应用。最后,本文还讨论了今后硅酸镓镧族中红外非线性光学晶体的重点发展方向。
【文章来源】：物理化学学报. 2020,36(01)北大核心
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
A3BC3D2O14的晶体结构
图1 A3BC3D2O14的晶体结构光学性质方面，如图3所示。可以看出，这三种晶体的高透过率范围均可达0.5至5μm 17,22，覆盖了3–5μm这一大气窗口波段，是潜在的中红外光学材料。与LGN和LGT相比，LGS的透过范围略窄，这是因为Si―O键的高频声子振动影响了红外截止边。由于氧缺陷的存在，这三类晶体在1.85μm处均存在着偏振吸收峰；而由于Ga―O键的振动，3μm处也出现一个小吸收峰。所幸这些吸收峰基本不影响晶体在中红外波段的使用价值。
自二十世纪六十年代激光问世至今，人们都非常重视电光晶体材料的研究。但是，由于电光晶体在实际应用中受到多方面的限制，尽管许多晶体都具有电光性能，但是综合性能优良电光晶体却屈指可数。随着现代光学和激光技术不断发展，对用来制作电光调Q开关的电光晶体提出了一些新的要求和条件：较大的电光系数，较宽透光范围，高激光损伤阈值，稳定的物理化学性质，容易加工，可获得高光学质量的大尺寸单晶。此外，还要注意由对称性引起的温度补偿或双折射补偿的问题。目前使用较为广泛的电光晶体主要有磷酸二氘钾(KD2PO4,KD*P)、铌酸锂(LiNbO3,LN)、磷酸钛氧铷(RbTiOPO4,RTP)、偏硼酸钡(β-BaB2O4,BBO)和硅酸镓镧(La3Ga5SiO14,LGS)晶体等，其中，KD*P晶体拥有较高的光损伤阈值，较好的光学均匀性，但该晶体是水溶性晶体，易潮解，使用时必须进行密封性处理，同时，其压电效应较强，在重复频率超过10 kHz时会出现压电振铃效应；LN晶体的物理化学性质比较稳定，具有较宽的透光范围，但是其激光损伤阈值比较低(100 MW·cm-2)，仅限于中、低功率激光器中应用；RTP晶体具有较小的压电振铃效应，可用于高重复频率运转，但该类晶体属于低对称性的正交晶体，为克服其自然双折射，需成对使用，使得该类电光开关对温度、振动等外界环境较为敏感。BBO作为重要的电光晶体，也一直吸引着人们的关注，但该类晶体在器件使用的Z方向生长难度较大，亟需生长技术的突破。自2002年以来，由于LGS晶体存在的潜在电光性能而受到极大关注。LGS晶体的线性电光系数γ11=2.3 pm·V-1和γ41=1.8 pm·V-1 24尽管低于KD*P和LN晶体，但是可以通过改变光传播长度的纵横比和所施加电压的晶体厚度来调节半波电压。LGS具有适中的电光系数和光损伤阈值，较宽的透光范围，但是LGS具有旋光性，从而限制了其在电光调Q上的应用。LGS晶体具有旋光性，这意味着光通过晶体传播时偏振方向发生旋转。利用旋光的可逆性可以消除晶体旋光性对电光过程的影响，但这种方案的设计较为复杂，腔长较长，取得脉冲激光宽度较宽。为了优化LGS电光调Q设计，从光的传播方程出发，理论上探讨了旋光性对光的相位和电光效果的影响规律，发现晶体旋光性只改变了光的偏振方向，不产生附加的相位差及相应的电光开关效果；最后，在理论研究基础上，结合旋光“可逆”的特点，提出一种新型“奇数”次穿过LGS电光调Q开关的设计方案，即通过转动四分之一波片，来消除单次通过电光晶体所产生的旋光效应对电光效果的影响。此外，Stade等人测量了LGN和LGT的电光系数γ11(-2.62和-2.82 pm·V-1)24，与LGS的电光系数相当。值得注意的是，它们的旋光性要强于LGS晶体，这对于电光实际应用来说是非常不利的。所以，越来越多的研究人员主要关注LGS晶体的潜在电光应用。现在，我们回顾了使用LGS电光调Q开关设备进行红外相干光生成的三种典型应用。3.1 1.064μm激光产生
本文编号：3045716
【文章来源】：物理化学学报. 2020,36(01)北大核心
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
A3BC3D2O14的晶体结构
图1 A3BC3D2O14的晶体结构光学性质方面，如图3所示。可以看出，这三种晶体的高透过率范围均可达0.5至5μm 17,22，覆盖了3–5μm这一大气窗口波段，是潜在的中红外光学材料。与LGN和LGT相比，LGS的透过范围略窄，这是因为Si―O键的高频声子振动影响了红外截止边。由于氧缺陷的存在，这三类晶体在1.85μm处均存在着偏振吸收峰；而由于Ga―O键的振动，3μm处也出现一个小吸收峰。所幸这些吸收峰基本不影响晶体在中红外波段的使用价值。
自二十世纪六十年代激光问世至今，人们都非常重视电光晶体材料的研究。但是，由于电光晶体在实际应用中受到多方面的限制，尽管许多晶体都具有电光性能，但是综合性能优良电光晶体却屈指可数。随着现代光学和激光技术不断发展，对用来制作电光调Q开关的电光晶体提出了一些新的要求和条件：较大的电光系数，较宽透光范围，高激光损伤阈值，稳定的物理化学性质，容易加工，可获得高光学质量的大尺寸单晶。此外，还要注意由对称性引起的温度补偿或双折射补偿的问题。目前使用较为广泛的电光晶体主要有磷酸二氘钾(KD2PO4,KD*P)、铌酸锂(LiNbO3,LN)、磷酸钛氧铷(RbTiOPO4,RTP)、偏硼酸钡(β-BaB2O4,BBO)和硅酸镓镧(La3Ga5SiO14,LGS)晶体等，其中，KD*P晶体拥有较高的光损伤阈值，较好的光学均匀性，但该晶体是水溶性晶体，易潮解，使用时必须进行密封性处理，同时，其压电效应较强，在重复频率超过10 kHz时会出现压电振铃效应；LN晶体的物理化学性质比较稳定，具有较宽的透光范围，但是其激光损伤阈值比较低(100 MW·cm-2)，仅限于中、低功率激光器中应用；RTP晶体具有较小的压电振铃效应，可用于高重复频率运转，但该类晶体属于低对称性的正交晶体，为克服其自然双折射，需成对使用，使得该类电光开关对温度、振动等外界环境较为敏感。BBO作为重要的电光晶体，也一直吸引着人们的关注，但该类晶体在器件使用的Z方向生长难度较大，亟需生长技术的突破。自2002年以来，由于LGS晶体存在的潜在电光性能而受到极大关注。LGS晶体的线性电光系数γ11=2.3 pm·V-1和γ41=1.8 pm·V-1 24尽管低于KD*P和LN晶体，但是可以通过改变光传播长度的纵横比和所施加电压的晶体厚度来调节半波电压。LGS具有适中的电光系数和光损伤阈值，较宽的透光范围，但是LGS具有旋光性，从而限制了其在电光调Q上的应用。LGS晶体具有旋光性，这意味着光通过晶体传播时偏振方向发生旋转。利用旋光的可逆性可以消除晶体旋光性对电光过程的影响，但这种方案的设计较为复杂，腔长较长，取得脉冲激光宽度较宽。为了优化LGS电光调Q设计，从光的传播方程出发，理论上探讨了旋光性对光的相位和电光效果的影响规律，发现晶体旋光性只改变了光的偏振方向，不产生附加的相位差及相应的电光开关效果；最后，在理论研究基础上，结合旋光“可逆”的特点，提出一种新型“奇数”次穿过LGS电光调Q开关的设计方案，即通过转动四分之一波片，来消除单次通过电光晶体所产生的旋光效应对电光效果的影响。此外，Stade等人测量了LGN和LGT的电光系数γ11(-2.62和-2.82 pm·V-1)24，与LGS的电光系数相当。值得注意的是，它们的旋光性要强于LGS晶体，这对于电光实际应用来说是非常不利的。所以，越来越多的研究人员主要关注LGS晶体的潜在电光应用。现在，我们回顾了使用LGS电光调Q开关设备进行红外相干光生成的三种典型应用。3.1 1.064μm激光产生
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