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激光器简称镭射（Laser）是英文“Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation”首写字母的缩写，意为受激发射光放大器。激光器发射的光就是激光，它有4大特点：（1）亮度极高，比太阳的亮度可高几十亿倍；（2）单色性好，谱线宽度与单色性最好的氪同位素16Kr灯发出的光相比，也只是后者的十万分之一；（3）方向性好，光束的散射角可达到毫弧度。（4）相干性好。激光束可用于加工高熔点材料，也可用于医疗、精密计量、测距、全息检测、农作物育种、同位素分离、催化、信息处理、引发核聚变、大气污染监测以及基本科学研究各方面，有力地促进了物理、化学、生物、信息等诸多学科的发展。激光器按其工作物质可以还分为固体激光器、气体激光器和液体染料激光器。可见，激光工作物质对激光器的发展起着决定性的作用。3.1固体激光材料本文档共139页；当前第1页；编辑于星期二\12点13分激光与激光器（1）激光产生的原理

固体激光器本质上也是满足一定特殊条件的发光固体。激光晶体也包括一种晶体材料作基质，向其中引入某种杂质离子作活化发光中心。与荧光材料和磷光材料不同，激光晶体具有特殊的激活和发光过程：激活过程是将活化中心注入到激发态，称作激励。这样的活化中心具有合理的寿命。换句话说，这些活化中心受激后并不立即发射能量回到基态，而是待激励遍及“全域”。因而激发态比基态具有更多的活化中心。发光时，从一个活化中心发出的光刺激其他活化中心，以致辐射在整个相中进行，于是就构成了相干辐射的强烈光束或脉冲。本文档共139页；当前第2页；编辑于星期二\12点13分(2)自发辐射与受激辐射原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。(自发辐射只与原子本身性质有关，与辐射场的无关）受激辐射时,原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。受激辐射与自发辐射的重要区别在于其相干性。本文档共139页；当前第3页；编辑于星期二\12点13分必要条件：

粒子数反转分布和减少振荡模式充分条件：

起振和稳定振荡（形成稳定激光）(3)激光产生的条件本文档共139页；当前第4页；编辑于星期二\12点13分粒子数反转----光放大的内部条件

一个入射光子不仅能引起受激辐射，而且也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的数目多，这种情况称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。首先，激光的产生必须选择合适的工作介质，在这种介质中可以实现粒子数反转。要求：工作物质具有亚稳态能级。本文档共139页；当前第5页；编辑于星期二\12点13分原子处在激发态时间很短10-8s，但还有一些亚稳态，可以停留10-3s,在亚稳态上粒子数不断积累，实现粒子数反转，达到光放大的目的。工作物质内部结构铬离子、钕离子、氖原子、二氧化碳分子、氩离子本文档共139页；当前第6页；编辑于星期二\12点13分激光工作物质是三能级或四能级结构。如果激励过程使原子从基态E1以很大概率W抽运到E3能级，处于E3的原子可以通过自发辐射跃迁回到E2或E1。假定从E3回到E2的概率A32大大超过从E3回到E1的概率A31，也超过从E2回到E1的概率A21，则利用泵浦抽运,E2和E1之间就可能形成粒子数反转。三能级系统n2n1n3E1E2E3本文档共139页；当前第7页；编辑于星期二\12点13分

在外界激励下，基态E1的粒子大量地跃迁到E4，然后迅速转移到E3。E3能级为亚稳态，寿命较长。E2能级寿命较短，因而到达E2上的粒子会很快回到基态E1。所以在E3和E2之间可能实现粒子数反转。

由于激光下能级不是基态，而是激发态E2，所以在室温下激光下能级的粒子数很少，因而E3和E2间的粒子数反转比三能级系统容易实现。n1四能级系统E1E2E3E4N2n3n4(快）(慢）本文档共139页；当前第8页；编辑于星期二\12点13分泵浦源----粒子束反转的外部条件必须用外界能量来激励工作物质，建立粒子数反转分布状态。将粒子从低能级抽运到高能级态的装置，称为泵浦源。它是形成激光的外因。激光器是一个能量转换器件，它将泵浦源输入的能量转变为激光能量。从直接完成粒子数反转的方式来分，泵浦方式可分为：光激励方式，气体辉光放电或高频放电方式，直接注入电子方式，化学反应方式还有热激励、冲击波、电子束、核能等方式。其次，当物质处于热平衡态时，粒子束反转是不可能的，只有当外界向物质供给能量（称为泵浦或激励）使物质处于非平衡态时，粒子束反转才能实现。泵浦或激励过程是光放大的必要条件。本文档共139页；当前第9页；编辑于星期二\12点13分谐振腔（起振和维持光振荡条件）谐振腔的作用是模式选择和提供轴向光波模的反馈.轴向光波模可在反射镜之间往返传播，等效于增加了放大器长度驻波条件：Δj=2k*nL=2mpk

=2p/l，n:折射率，L：谐振腔长度方向性好单色性好本文档共139页；当前第10页；编辑于星期二\12点13分激光能够产生的阈值条件：增益大于损耗

在谐振腔内还存在许多损耗机制，譬如，由于R2<1，光在镜面上总有透射损失，镜面还存在吸收、散射等损耗，以及工作物质不均匀引起的光线的折射和散射损耗，等。如果各种损耗的结果抵消了谐振腔内的光放大过程，则不可能有激光输出。因此光的增益超过损耗时，光波才能被放大，进而振荡，即有阈值条件：R1*R2*exp(2gL)>=1

稳定振荡条件－－增益饱和效应激光强度将随传播距离的增加而呈指数关系上升，但是激光强度不会无限制的增大。当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量；而当入射光强增加到一定时，增益系数将减。庵窒窒蟪莆鲆姹ズ拖窒。本文档共139页；当前第11页；编辑于星期二\12点13分激活物质光放大的描述：增益增益系数:光通过单位长度激活物质后光强增加的百分数.①若上下能级粒子数之差n2-n1不随z变化,则增益系数g(z)为一常数g0(此种情况称为线性增益或小信号增益，g0称为小信号增益),将上式积分,得Z=0处的初始光强本文档共139页；当前第12页；编辑于星期二\12点13分增益系数②n2(z)-n1(z)随z的变化而变化,增益系数g(z)随z的增加而减小,称为增益饱和效应.当I?Is时,g(I)=g0为常数,且不随z变化,即小信号情况.当I?Is不能满足时,g(I)为大信号增益系数或饱和增益系数.饱和光强本文档共139页；当前第13页；编辑于星期二\12点13分增益大于损耗（光的自激振荡，阈值条件）在光放大的同时，光通过介质通常还有损耗。损耗系数:光通过激活物质单位距离后光强衰减的百分数.同时考虑增益和损耗，则有当时，说明Im只与放大器本身的参数有关，而与初始光强I0无关。无论初始光强I0多么微弱，只要放大器足够长，就能形成确定大小的光强Im，这种现象称为自激振荡。这表明,当放大器足够长时,它可能成为一个自激振荡器.谐振腔本文档共139页；当前第14页；编辑于星期二\12点13分因此，激光产生的条件可归纳为：条件1：激光工作物质必须有亚稳态条件2：选择适当的工作物质，使得受激发射大于受激吸收条件3：能使工作物质产生粒子束反转的外部条件---泵浦源条件4：需有一个谐振腔，用以产生和维持光振荡，使得频率单纯，方向集中条件5：增益大于损耗，实现光放大能够实现粒子束反转产生和维持光振荡，实现光放大，选择发射频率和方向使反转粒子束达到激光输出的阈值条件本文档共139页；当前第15页；编辑于星期二\12点13分LASER：受激辐射光放大LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation本文档共139页；当前第16页；编辑于星期二\12点13分（4）激光产生和激光器的组成激光器的组成（三部分）：激光工作物质光学谐振腔激励源（泵浦）本文档共139页；当前第17页；编辑于星期二\12点13分光学谐振腔：通过工作物质对激光提供反。约し⒏嗟墓夥⑸。工作物质：能够借外来能源激励实现粒子数反转并产生受激辐射放大作用的物质系统，包括固体(晶体、玻璃)、气体(原子气体、离子气体、分子气体)、液体和半导体等。泵浦源：激光器利用泵浦(闪光灯或另一种激光器以及气体放电激励、化学激励、核能激励)等激发源激发工作物质实现激射。本文档共139页；当前第18页；编辑于星期二\12点13分工作物质

激光器最重要的部分是工作物质，包括激活离子和基质。用过渡金属离子（如Cr3+）激活的三能级激光晶体，如Cr3+

：

Al2O3氧化物激光晶体

固体激光器材料用稀土离子（如Nd3+）氟化物激光晶体激活的四能级体系复合石榴石激光晶体激光玻璃（钕玻璃）色心激光晶体（如LiF，KCl）

原子气体气体激光器材料离子气体（氩离子、氪离子）工分子气体（CO2、CO、N2分子）作准分子气体（XeF、KrF）物

有机荧光染料（如罗丹明6B）

质

液体激光器材料稀土螯合物（如Eu(TTA)3、Eu(BTF)4）钕氧氯化硒（Nd3+

：SeOCl2

）半导体激光器材料：可见光激光管材料（如AlGaAs）红外激光管材料（GaAs、Pb1－XSnXTe）非线性光学材料（LiNbO3）激光器辅助材料窗口、透镜材料（如GaAs、ZnSe）抗反射涂层（ZrO2、SiO2

、TiO2、MgF2等）其它本文档共139页；当前第19页；编辑于星期二\12点13分（5）激光的特性方向性单色性相干性能量高度集中本文档共139页；当前第20页；编辑于星期二\12点13分本文档共139页；当前第21页；编辑于星期二\12点13分本文档共139页；当前第22页；编辑于星期二\12点13分本文档共139页；当前第23页；编辑于星期二\12点13分本文档共139页；当前第24页；编辑于星期二\12点13分本文档共139页；当前第25页；编辑于星期二\12点13分激光器的分类激励方式工作物质工作方式输出波长谐振腔结构（5）激光器的种类本文档共139页；当前第26页；编辑于星期二\12点13分工作物质：固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、自由电子激光器；工作方式：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器、可调谐激光器；激光波长：红外光激光器、可见光激光器、紫外光激光器、毫米波激光器、X射线激光器；激励方式：电激励激光器、光泵浦激光器、热能激励激光器、化学激光器；谐振腔结构：内腔激光器、外腔激光器、环形腔激光器、光纤激光器、薄膜激光器、分布反馈激光器；本文档共139页；当前第27页；编辑于星期二\12点13分常见的几种激光器1）He-Ne激光器原子气体激光器（最早问世的气体激光器）典型的四能级系统激光器激励方式：电激励（气体放电激发）主要波段在可见光区或近红外区（632.8nm，1.15μm，3.39μm，以632.8nm为最常见。）输出光束质量好、输出功率和频率稳定度高（功率在mW级，最大1W；光束质量好，发散角可小于1mrad；单色性好，带宽可小于20Hz）结构简单紧凑，稳定性高（寿命可达数万小时）连续工作方式，主要用于多用于检测和干涉计量本文档共139页；当前第28页；编辑于星期二\12点13分常见的几种激光器2）CO2激光器分子气体激光器（最重要、应用最广泛的激光器）四能级系统激光器主要工作波段：波长9－11μm，最常见10.6μm效率高（能量转换效率达20~25%）光束质量好功率范围大（几瓦～数十万瓦，）热效应高：脉冲输出能量可达数万焦耳结构、运行方式多样应用：激光刀、医疗、红外测距、通信等本文档共139页；当前第29页；编辑于星期二\12点13分常见的几种激光器3）染料激光器（若丹明-6G）液体激光器（在可见和紫外光区获得可调写激光最简单方便的方法）四能级系统激光器激励方式：光激励波长可调谐，调谐范围宽（0.34~1.2μm）每个脉冲激光能量可达数十焦耳，峰值功率达几百兆瓦，能量转换效率高达50%结构简单价格便宜稳定性差本文档共139页；当前第30页；编辑于星期二\12点13分常用染料的波长范围染料波长范围/nm对三联苯322~365四甲基伞形酮47391~567香豆素47440~506香豆素48447~569若丹明6G540~640若丹明B580~655过氯酸盐644~709尼尔兰692~783花青22760~812本文档共139页；当前第31页；编辑于星期二\12点13分常见的几种激光器4）红宝石激光器（Ruby，：Cr3+：Al2O3）固体激光器（最早的激光器，1960年Maiman研制，至今仍是一个重要的系统）红宝石激光器以刚玉为基质晶体，掺入0.05%wt的Cr3+作激活离子。刚玉化学式为Al2O3，α-Al2O3为红宝石激光晶体，掺杂的Cr3+取代α-Al2O3晶格中的Al3+离子。三能级系统激光器激励方式：光激励123本文档共139页；当前第32页；编辑于星期二\12点13分反射镜闪烁灯红宝石开关激光束红宝石激光器的构造红宝石激光器的主体是一根长数百厘米、直径1-2厘米的红宝石晶体棒，周围环绕着闪烁灯，还可以在两侧也装上灯，使得它从各方向都受到有效的辐照。棒的一个侧端装有一个镜子，使得发出光又返回棒中。另一侧端装有Q阀。其实这是一个可旋转的镜子，既可以允许激光束从系统中射出，又可以将光束返回棒中，只是当光束强度达到最佳要求时才被发射出来。这样，由于激光束在棒中往返通过，形成了更多的激活中心，就使初始相干辐射脉冲强度变大。红宝石激光器的构造本文档共139页；当前第33页；编辑于星期二\12点13分用氙灯的强可见光照射到红宝石晶体上，Cr3+离子的d电子从基态4A2激发到较高的激发态4F1、4F2能级。这些能级上的电子通过非辐射过程很快回到稍低一些的能级2E。2E激发态能级的寿命非常长，约为5×10-3秒。这意味着有足够的时间可以将这种激发状况普遍化，实现粒子数反转。从能级2E回到基态就产生激光。在这一转变过程，晶体相中许多离子互相激励，便产生了强的波长为693nm的相干红光脉冲。红宝石激光器能级结构本文档共139页；当前第34页；编辑于星期二\12点13分红宝石激光器输出特性右侧反射镜反射率约为50%时最佳：阈值较低，腔内光能密度较大，耦合效率较高，激光输出最强。本文档共139页；当前第35页；编辑于星期二\12点13分红宝石激光器工作特性本文档共139页；当前第36页；编辑于星期二\12点13分常见的几种激光器5）YAG激光器（Nd3+：YAG）固体激光器（产量最高的固态激光器）掺钕钇铝石榴石晶体（Nd3+：YAG）是以无色透明的钇铝石榴石晶体（化学式Y3Al5O12，记作YAG）为基质，掺入Nd3+为激活离子，Nd3+部分取代YAG中的Y3+，掺钕的重量比为0.725%，掺钕后，晶体是淡紫色。四能级系统激光器激励方式：光激励1234本文档共139页；当前第37页；编辑于星期二\12点13分Nd3+：YAG激光器能级结构4F3/2

4I9/20.946μm4F3/2

4I11/21.06μm4F3/2

4I13/2

1.35μm2023/6/2538本文档共139页；当前第38页；编辑于星期二\12点13分Nd3+：YAG激光器输出特性连续工作Nd3+：YAG激光器输出特性39本文档共139页；当前第39页；编辑于星期二\12点13分Nd3+：YAG激光器工作特性连续工作Nd3+：YAG激光器工作特性本文档共139页；当前第40页；编辑于星期二\12点13分常见的几种激光器5）半导体激光器（种类繁多，第四章）属于固体激光器工作物质：半导体材料激励方式：电激励、光激励超小型、重量轻，激活面积约为0.5×0.5mm2；效率高、微分量子效率大于50%，能量转换效率大于30%；（能量转换效率大大超过一般的固体工作物质）发射激光波长范围宽，通常谱宽在0.5~30μm之间；使用寿命长，可达百万小时以上；准连续输出功率达300W，脉冲输出功率达1000W以上。本文档共139页；当前第41页；编辑于星期二\12点13分2.固体激光工作物质：基质与激活离子固体激光工作物质是将发光中心(激活离子)掺入基质材料而构成。激光光谱特性由激活离子的能带结构决定，基质材料则主要决定工作物质的物理、化学、机械性能。（1）对固体激光材料的基本要求

要求：具备清晰的荧光线、强的吸收带及相当高的量子效率，优良的光学、热学性能和机械性能。

本文档共139页；当前第42页；编辑于星期二\12点13分1）离子大。壕宓木Ц窀竦惚匦胗爰せ罾胱拥拇笮∠嗟。在离子晶体中，离子半径之差大于15％就不能直接掺入1％以上的激活离子。但用稀土激活的晶体激活离子的掺入量可大于1％。2）电性中和：掺杂剂价态如与基质阳离子不同，则要采取适当的电荷补偿技术维持高掺杂下的电性中和，否则掺杂剂的溶解度将受到限制。例如CaWO4中如只掺入稀土取代Ca2+，溶解度就受到限制，这时再加入Na+，稀土溶解度才增加.3）掺入的激活离子具有有效的激励光谱和大的受激发射截面,吸收光谱与泵浦光的辐射光谱有尽可能多的重叠.4）能掺入较高浓度的激活离子,浓度猝灭效应小,荧光寿命足够长.本文档共139页；当前第43页；编辑于星期二\12点13分5）理想晶体应对泵浦波长有较强吸收，对激发波长吸收很弱，即在激光工作频率范围透明。6）具有高的荧光量子效率。7）光学质量高,缺陷少,内应力小.在材料中不产生入射光的波面畸变偏振态的变化.8）具有良好的物理、化学和机械性能.热导率高,热膨胀系数小,化学稳定性好,机械强度高,耐水性好,熔点高,能承受高功率密度等.9）制备工艺简单,加工容易,成本低,并可获得足够大的尺寸.10)

纯度：生长激光晶体所用氧化物纯度为5~6个“9”，总杂质含量不得超过1－10ppm。本文档共139页；当前第44页；编辑于星期二\12点13分（2）基质材料：可粗略分为晶体和玻璃两大类I基质晶体优点：热导率高、硬度高、荧光谱线较窄。缺点：光学质量和掺杂的均匀性比基质玻璃差。①金属氧化物。如蓝宝石、钇铝石榴石、钇镓石榴石、钆镓石榴石和气体钇等；②磷酸盐、硅酸盐、铝酸盐、钼酸盐、钡酸盐、铍酸盐晶体，如氟磷酸钙、五磷酸钕、铝酸钇、铝酸镁镧、钨酸钙、钼酸钙、钡酸钇、铍酸镧等；③氟化物，氟化钇锂、氟化钙、氟化钡和氟化镁等。II基质玻璃优点：易制造、成本低，易掺杂、均匀性好，是大功率和高能量激光器中使用的重要基质材料。缺点：热导率低、荧光谱线宽。硅酸盐、磷酸盐、氟磷酸盐、硼酸盐玻璃等。本文档共139页；当前第45页；编辑于星期二\12点13分（3）激活离子(发光中心)主要包括：1）稀土离子:[三价]钕、镨、钐、铕、镝、钬、铒、镱等;[二价]钐、铒、铥、镝等2)过渡族金属离子:[三价]铬、钛、镍、钴等3)锕系离子：U3+(其它多有放射性，实用性差)（4）正分高浓度激光晶体主要包括：过磷酸盐类、偏磷酸盐类、正磷酸盐类、硼酸盐类、钨、钼酸盐类、氟化物、磷灰石型化合物优点：易于实现高掺杂而无明显淬灭效应、高效率、低阈值定义：激活离子本身是基质晶体组成部分的激光工作物质。本文档共139页；当前第46页；编辑于星期二\12点13分本文档共139页；当前第47页；编辑于星期二\12点13分3.常用的固体激光材料激光晶体材料用于制作固体激光器的工作物质，是固体激光技术及产业的基础支撑材料。先进的军用激光晶体材料还是重要的战略资源，激光晶体材料和技术的发展与应用也是衡量一个国家或地区高科技发展水平的重要标志之一。

全球激光晶体材料行业的地区主要分布在北美（美国），其次是欧洲（德国、英国、法国、捷克、立陶宛）和亚洲（日本、中国）。其中，美国生产销售的激光晶体产品占全球的一半。

激光晶体材料的主要应用领域和市场包括激光加工、激光医疗和科研，其中激光加工所占比例最大。本文档共139页；当前第48页；编辑于星期二\12点13分目前，人们已经研制出几百种激光晶体实现了激光输出，但获得实际应用的只有几十种，商品化的使用激光晶体近20种。按材料的特性和用途，可分类如下：（1）高功率激光晶体定义：用于输出平均功率达到数百瓦以上高功率激光器的晶体。目前，商品化的高功率激光晶体主要有：Nd：YAG（掺钕钇铝石榴石）Nd：YAP（掺钕铝酸钇）Nd：Cr：GSGG（掺钕和铬的GSG石榴石）Cr：Al2O3（红宝石）应用领域：工业、军事、医疗、科研等各领域其中，Nd：YAG晶体是应用最广泛的激光晶体，产量占激光晶体总量的50-65%。本文档共139页；当前第49页；编辑于星期二\12点13分（2）LD泵浦激光晶体LD泵浦激光晶体用于激光二极管（LD）泵浦的全固态激光器，是一类应用广泛的激光晶体。LD泵浦特别适用于一些吸收谱线宽、荧光寿命长、发射截面大的晶体。目前，已经商品化的LD泵浦晶体主要有：Nd：YVO4（掺钕钒酸钇）Nd：YLF（掺钕氟化钇锂）特点：光束质量好、寿命长、结构更紧凑应用领域：军事、工业、医疗、科研等领域其中，Nd：YVO4是目前大量应用的LD泵浦激光晶体，生产规模仅次于Nd：YAG，产量约占激光晶体总量的10%，主要用于1.06um和0.53um的激光器。Nd：YLF主要用于超短脉冲和单模、单频激光器，是产量较大的一种有特色的激光晶体。本文档共139页；当前第50页；编辑于星期二\12点13分（3）可调谐波长激光晶体主要用于波长可调的激光器的晶体，其激光器中介入色散原件后，输出的激光波长可在较宽的频率范围内连续可调。目前，商品化的可调谐晶体主要有：Ti:Al2O3（掺钛蓝宝石）Cr:BeAl2O4（金绿宝石）Cr:LiSAF（掺铬氟铝钙锂）Tm:YAG（掺铥钇铝石榴石）应用领域：科研、军事、医疗目前，Ti:Al2O3是应用最广泛的室温工作宽带可调谐激光晶体，可调谐波长范围为660~1180nm，主要用于脉冲、连续可调谐激光器和飞秒级超短脉冲，太瓦级超强脉冲激光器。本文档共139页；当前第51页；编辑于星期二\12点13分（4）新波长激光晶体新波长一般指1um以外的其它激光波长。目前商品化的新波长激光晶体主要有：Ho：Cr:Tm：YAG（2um三掺杂钇铝石榴石）Ho：Tm：YLF，Ho：Tm：YAGEr：YAG（3um）主要用于脉冲和Q开关激光器应用领域：激光医疗、军事、科研本文档共139页；当前第52页；编辑于星期二\12点13分1）掺稀土离子的激光晶体

将稀土离子（摩尔分数~1%）掺入晶体基质材料中，由于稀土离子能级间的跃迁，可产生覆盖从UV~IR的激射波长。

可用于激光晶体的稀土离子有200多种，应用最广泛的是Nd3+掺Nd3+钇铝石榴石:Nd：YAG优点：量子效率高>99.5%;荧光寿命长；激光特性稳定，受温度影响。豢闪、准连续、脉冲工作；功率调谐方便，是目前实用化程度最高的激光晶体。颜色：粉红色;发射波长：P546-547由于YAG晶体具有光学均匀性好、机械性能好、物化稳定性高、热导性好等优点，目前仍是固体激光器的首选材料，因此广泛用于工业、医疗、科研、通讯和军事等领域。如激光武器、激光测距、激光目标指示、激光探测、激光打标、激光加工（包括切割、打孔、焊接以及内雕等）、激光医疗等等。(发射波长1064nm)按照激活离子种类分：本文档共139页；当前第53页；编辑于星期二\12点13分2）掺过渡金属离子的激光晶体红宝石：在蓝宝石晶体(Al2O3，俗称刚玉)掺入少量的Cr2O3，使激活离子部分取代Al离子而形成，英文名Ruby。

颜色：红色透明，并随Cr浓度增大而加深。发射波长：694.3nm（室温）；693.4nm（77K）优点：硬度高、热导率高、结构和化学组分稳定、抗腐蚀和抗光损伤能力强缺点：与稀土离子激活的激光晶体相比，荧光线宽更宽，阈值更高，不易发生受激辐射；性能随温度变化大用途：激光测距、材料加工、全息照相等本文档共139页；当前第54页；编辑于星期二\12点13分3）激光玻璃激光玻璃与前二者相比，基质材料为无序结构，阈值通常更高。目前，只有稀土离子在基质玻璃中实现了激光发射。

钕(Nd)玻璃：在某种成分的基质玻璃（常用的有硅酸盐和磷酸盐玻璃）中掺入适量的Nd2O3而制成。（掺杂质量分数1%~5%）发射波长：

硅酸盐钕玻璃---1.064um;0.92um(低温下)

磷酸盐钕玻璃---1.054um（激光核聚变）优点：荧光寿命长、储能高（适于高能量脉冲工作）、荧光线宽很宽（锁模器件）缺点：热导率低、热膨胀系数大、不适用连续工作或重复频率非常高的激光运转本文档共139页；当前第55页；编辑于星期二\12点13分

1)焰熔法(维尔纳叶法)氢氧燃烧产生的高温使料粉通过火焰加热熔融，熔滴落在籽晶上，使籽晶杆下降进入炉子的较冷部分随即结晶。该法设备简单、不用坩埚，适于生长熔点大于1800℃(可达2500℃)的晶体如红宝石、钇铝石榴石(Y3A15O12)和Y2O3等基质晶体，缺点是晶体内应力大、位错密度高及存在化学不均匀性。4.激光晶体制备方法本文档共139页；当前第56页；编辑于星期二\12点13分2)直拉法适于生长共熔化合物单晶，易自动化，能生长非常大的完美单晶，如CaWO4、CaMoO4、红宝石、碱土金属卤化物及石榴石晶体等。近年来出现的钆钪镓石榴石Gd3Sc2Ga3O12(简称GSGG)就是用直拉法生长的。采用铱坩埚在含l~3％O2的氮气氛中生长(感应加热)，已生长出直径130mm、长100mm的晶坨，晶体尺寸大、质量高、适于制造高平均输出(1KW)的板条激光器（规格l×10×20cm3)，在金属加工方面可与CO2激光器竞争。本文档共139页；当前第57页；编辑于星期二\12点13分

作为可买到的商品Nd∶YAG一般都采用直拉法生长，已制出最大直径约10mm、长达150mm的激光棒。还制出直径75mm的非掺YAG晶锭。由于生长时间慢(0.5mm/h)，生长10~15cm长的晶棒，耗时数周，造成高的生产成本。目前正在研制400一1000W的Nd∶YAG板条激光器。此外，钕含量比YAG高6倍的Nd：LMAO(Nd：La1－XMgAl11O19)也是用直拉法生长的。这种晶体解决了钕含量低使输出功率受限制的问题，已实现高功率输出，近年内可望制成千瓦级小型固体激光器，其激射波长为1．054?m。本文档共139页；当前第58页；编辑于星期二\12点13分

该法将籽晶置于坩埚底部的中心位置，熔料装到籽晶的上方、坩埚位于热交换器的上部，用石墨电阻炉生长激光晶体。对于给定的物料，炉温决定液体内的温度梯度，热交换器的温度决定固体内的温度梯度。固液界面因浸没在熔体表面以下，不受机械和温度扰动的影响，故可实现均匀生长，最大限度地降低生长条纹，获得均匀的掺杂分布。该法适于生长Cr：A12O3(红宝石)、Nd：YAG、Co：MgF2和Ti：A12O3(蓝宝石)，能获得大尺寸优质晶体，如Φ65mm的Co：MgF2晶体和Φ320mm、重50Kg的蓝宝石晶体。3)热交换器(HEM)法本文档共139页；当前第59页；编辑于星期二\12点13分5.应用工业应用：激光切割机、激光焊接、激光打标、微加工机等军事应用：激光雷达、激光制导武器、红外定向干扰、空间和水下通信、高能激光武器等医疗领域：固体激光治疗仪已广泛应用于几乎所有医学专科，激光医疗已逐步形成独立的产业科研领域：激光核聚变、激光等离子体、激光测量、激光光谱、激光化学、激光生物学等其它应用需求：通信、能源、环保等领域本文档共139页；当前第60页；编辑于星期二\12点13分

激光器的输出水平不断提高：中、小功率器件高功率、高能量激光器；脉冲体制从连续波、准连续波到各种短脉冲、超短脉冲的激光。连续的高能激光单次输出能量已达百万焦耳以上；超短脉冲：纳秒皮秒飞秒阿秒

脉冲功率密度则可高达1020瓦/cm2以上。

6.激光发展的新特点本文档共139页；当前第61页；编辑于星期二\12点13分7.激光与非线性光学的关系激光的出现带动了非线性光学的发展，非线性光学的发展推动了激光的应用研究梅曼（1960）发明第一台红宝石激光器(PeterFrankenetal.1961)将红宝石694nm激光聚焦到石英晶体上产生347nm紫外光,但效率很低，仅为1e-8。利用介质的非线性响应可以产生新的激光频率本文档共139页；当前第62页；编辑于星期二\12点13分一、非线性光学发展史1960-70年代：激光的出现从1961年Franken首次发现光学二次谐波开始，展现许多非线性光学效应。建立非线性光学的基本理论。1980-90年代：激光光源和非线性光学材料大发展(光源,材料要求)

人工设计和合成新材料（新的无机晶体，有机高分子材料，半导体人工微结构)光折变材料的发现和研究更加实用化（新光源，光谱技术，用光控制光，光信息处理）1990年代以来：超快激光和非线性光学结合,低光强产生非线性光学效应光子晶体和微结构光纤，利用原子的量子相干性(超低速，量子非线性光学）频率变换技术的进步3.2.1晶体的非线性光学基础3.2非线性光学功能材料本文档共139页；当前第63页；编辑于星期二\12点13分二、什么是非线性光学1.线性光学1）特点2)本构方程入射光的电场强度比介质中原子内的场强小得多，光与介质相互作用，导致介质被极化?光的频率不会改变?光波叠加原理?光学参数与光强无关(折射率，吸收系数，散射截面等)

?光波之间没有相互作用本文档共139页；当前第64页；编辑于星期二\12点13分2.非线性光学1）非线性光学现象本文档共139页；当前第65页；编辑于星期二\12点13分本文档共139页；当前第66页；编辑于星期二\12点13分laser1.064um1.319umlenssamplescreen0.532um0.588um0.660umCerenkov’sChristmasTree本文档共139页；当前第67页；编辑于星期二\12点13分2）非线性光学的理论描述考虑光对非线性介质（绝缘非磁性）的作用（介质对光的响应）：主要考虑电极化强度一般关系：强光入射介质时，介质内产生非线性电极化，极化强度可按电场强度的幂级数展开本文档共139页；当前第68页；编辑于星期二\12点13分不同阶极化有不同的频率成分：线性极化

每个频率分量必定与电场的同频率分量成线性关系,

(线性，各向异性，色散）本文档共139页；当前第69页；编辑于星期二\12点13分二阶非线性极化

所有频率成分应当和场强二并矢EE的各个频率成分相对应

二阶非线性极化的任一频率成分可表示为

本文档共139页；当前第70页；编辑于星期二\12点13分三阶和高阶非线性极化

三阶非线性极化的任一频率成分可表示为71本文档共139页；当前第71页；编辑于星期二\12点13分例1：介质中输入频率为w的光，求二阶非线性极化的所有频率成分.

光频的所有二次组合是72本文档共139页；当前第72页；编辑于星期二\12点13分入射单色强光电场强度恒定电场基频成分倍频成分本文档共139页；当前第73页；编辑于星期二\12点13分Vw2ww----++++(1）是二次谐波发生(最典型、最基本、最重要的二阶效应)

(2）是光学整流效应（一种特殊的二阶效应）74本文档共139页；当前第74页；编辑于星期二\12点13分例2：介质中输入频率为w1,w2的两束光，求可能的二阶非线性极化的频率成分。

光频的所有二次组合是

例如和频发生

75本文档共139页；当前第75页；编辑于星期二\12点13分入射两种不同频率的强光和频成分差频成分当激光与非线性介质作用，入射光通过介质后，其输出频率较入射频率有所变化，介质除辐射直流、基频和倍频成分，还将辐射频率为和频与差频的光波，称为光学混频。本文档共139页；当前第76页；编辑于星期二\12点13分二、典型的二阶非线性光学过程（输入频率为w1,w2）本文档共139页；当前第77页；编辑于星期二\12点13分光参量放大（OpticalparametricAmplification,OPA）考虑当一种频率较低的弱信号光s与另一种频率较高的强泵浦光p同时入射到非线性介质内时将要产生的情况。（s<<p）研究表明，此种情况下，弱的入射信号光s将得到放大，强的泵浦光p将有所减弱，同时，非线性介质还将辐射出第三种相干光i=p-s，称为闲频光。这种非线性光学效应称为光学参量放大效应，简称OPA。非线性光学晶体目的:使信号光波的功率得到放大1）入射：s，p2）泵浦光与信号光差频p-s=i3）闲置光又与泵浦光差频p-i=

s得到新的信号光4）新产生的信号光波与入射的弱信号光满足一定条件，则原来的弱信号光在损耗泵浦光波功率情况下得到放大本文档共139页；当前第78页；编辑于星期二\12点13分光学参量过程的量子解释：光学参量过程可理解为分两步完成：1）一个能量为hp的泵浦光子的湮灭，而介质的某一个分子离开其初始能级跃迁虚能级（中间状态）；2）处于中间状态的分子立刻回到初始状态并同时辐射出两个能量分别为hs和hi的光子。本文档共139页；当前第79页；编辑于星期二\12点13分讨论：1）强泵浦光和弱信号光的强度泵浦光的平均功率：kW量级入射信号光的平均功率：mW量级二者相差1e5~1e6数量级2）光学参量放大与激光放大有什么区别？OPA的增益来源于非线性介质中光波间的相互作用；激光放大源于激光晶体原子或分子能级间的粒子束反转。本文档共139页；当前第80页；编辑于星期二\12点13分光参量振荡（Opticalparametricoscillator,OPO）在光学参量放大过程的基础上，如果进一步采用光学反馈装置共振腔，则在参量放大作用大于腔内各种损耗作用的条件下，可同时在频率s和i处产生相干光振荡，即光学参量振荡，简称OPO。参量放大因子与非线性晶体的二阶非线性电极化系数有关系。本文档共139页；当前第81页；编辑于星期二\12点13分典型的二阶非线性光学效应：倍频（Secondharmonicgeneration,SHG）三波混频（ThreeHamonicWaveMixing，THWM）

和频，差频光整流效应（Opticalrectificationeffect，OR）光参量放大（OpticalparametricAmplification,OPA）光参量振荡（Opticalparametricoscillator,OPO）泡克耳斯效应（Pockelseffect）:线性电光效应本文档共139页；当前第82页；编辑于星期二\12点13分三、三阶非线性光学效应三倍频（Threeharmonicgeneration,THG）四波混频（FourHamonicWaveMixing，FHWM）自聚焦效应（Self-Focusingeffect）光学孤子（OpticalSoliton）光学双稳（OpticalBistability,OA）双光子吸收（TPA）受激拉曼（SRS）光克尔效应（Kerreffect）：二次电光效应本文档共139页；当前第83页；编辑于星期二\12点13分四、非线性光学频率转换过程的相位匹配相位匹配什么是相位匹配？非线性光学频率转换过程为什么会存在相位匹配问题？下面我们以倍频为例加以说明。设入射基波频率为w1，振幅为E1，倍频波频率为w2，振幅为E2，两波在均匀的非线性晶体中沿z方向传播代入非线性波动方程本文档共139页；当前第84页；编辑于星期二\12点13分得到晶体中基波和倍频波传播演化的耦合波方程相位失配量利用边界条件：A1(0)=常数,A2(0)=0,在小信号近似下，耦合波方程组的解本文档共139页；当前第85页；编辑于星期二\12点13分即：非线性倍频波的光强随z的变化相干长度当z=Lc时，能量由基波流向谐波首次达到最大。当相位失配Dk=0（即完全相位匹配），则相干长度无限大,此时能量单向地从基频波流向倍频波。本文档共139页；当前第86页；编辑于星期二\12点13分非线性倍频转换效率与哪些因素有关：1）晶体的二阶非线性系数（10-12(m/v)2）2）相位匹配条件3）晶体长度（cm量级）4）输入基波光功率密度（MW/cm2）本文档共139页；当前第87页；编辑于星期二\12点13分极化波频率传输常数电磁波2.相位匹配条件能量守恒、动量守恒对于倍频过程，相位匹配条件：对于三波混频过程：本文档共139页；当前第88页；编辑于星期二\12点13分利用相位匹配技术,可使对倍频,上式变为上式是晶体倍频效应的相位匹配条件。满足这一条件时，基频光沿途激发的倍频子波具有相同的相位而相互加强，得到有效的倍频光输出。相位匹配的方式：共线匹配；非共线匹配本文档共139页；当前第89页；编辑于星期二\12点13分3.实现相位匹配的途径(1)双折射相位匹配（BPM）ne(2ω)=no(ω)P.D.Makeretal.,PRL1962角度相位匹配温度相位匹配利用某些晶体的双折射效应，实现相位匹配，如Ⅰ类匹配：指输入的基频波具有相同的偏振态，

Ⅱ类匹配：指输入的基频波具有正交的偏振态下面我们以单轴晶体为例进行讨论。本文档共139页；当前第90页；编辑于星期二\12点13分(1a)角度相位匹配:球面:o光折射率面实线:基频光虚线:倍频光椭球面:e光折射率面实线:基频光虚线:倍频光M点:o光基频光与e光倍频光折射率交点PM方向:相位匹配方向M:相位匹配角ne<noPhase-Matching：PM负单轴晶体：I类匹配负单轴晶体的I类匹配只能是本文档共139页；当前第91页；编辑于星期二\12点13分负单轴晶体II类匹配只能是正单轴晶体I类匹配只能是正单轴晶体II类匹配只能是本文档共139页；当前第92页；编辑于星期二\12点13分角度相位匹配的缺点

对匹配角度要求很敏感

有离散效应(walk-off)

要求非线性晶体的双折射率较大而色散较。乇鹗荌I类相位匹配。不是所有的非线性晶体都能采用角度匹配，如石英和钽酸锂(LT)就不存在相位匹配方向。本文档共139页；当前第93页；编辑于星期二\12点13分(1b)温度相位匹配

对于某些非线性光学晶体,如铌酸锂、磷酸二氢钾等,它们的折射率随温度很敏感（e光折射率随温度的变化比o光的折射率快得多）,利用这一特性,在基波光垂直于光轴入射(M=90o)条件下,离散角为0，就有可能通过适当地调节温度来实现相位匹配.以

负单轴晶体为例：I类匹配时温度匹配的条件：II类匹配时温度匹配的条件：

本文档共139页；当前第94页；编辑于星期二\12点13分(1b)温度相位匹配分类: M=90o------非临界相位匹配

M=90o------临界相位匹配不是所有的非线性光学晶体都能实现90o的相位匹配。(P470)（1a）、（1b）统称双折射匹配（BPM）。本文档共139页；当前第95页；编辑于星期二\12点13分KDPI类匹配0。51790。000。121。73非临界角度0。53276。640。140。0660。81444。551。340。04661。03441。1648。50。0602非临界波长1。06441。2122。00。0699本文档共139页；当前第96页；编辑于星期二\12点13分(2)准相位匹配（QPM）Gm=2m/Bloembergen,N.--GmBloembergen,N.将铁电晶体的极性周期性反转,用光栅波矢来抵消相位失配，从而达到相位匹配。极性反转则光轴也反转，这对线性极化率没有影响,即线性折射率不会因光轴的反向而改变,但会使二阶非线性极化率有些分量要变号。

本文档共139页；当前第97页；编辑于星期二\12点13分(BPM)(BPM&QPM)

(QPM)LBO、BBO、KTP……LN、LT、KTP……本文档共139页；当前第98页；编辑于星期二\12点13分准相位匹配下的二次谐波发生本文档共139页；当前第99页；编辑于星期二\12点13分准相位匹配的优缺点不受双折射的限制,因此适用于更宽的波长范围可利用最大的非线性极化率的系数以提高转换效率可利用半导体集成技术加工成波导形式,有利于和光纤及其它光波导相耦合适用于低功率的小型器件,对输入激光的线宽要求高QPM材料制备：

极化技术本文档共139页；当前第100页；编辑于星期二\12点13分

(Appl.Phys.Lett.37,607(1980)本文档共139页；当前第101页；编辑于星期二\12点13分SchematicdiagramPs室温电场图案极化制备光学超晶格极化装置示意图应用物理学报(J.Appl.Phys.77,5481(1995))应用物理快报(Appl.Phys.Lett.68,2781(1995))本文档共139页；当前第102页；编辑于星期二\12点13分光刻胶导电介质0.5–2mmLN、LT、KTP晶片高压电源50mm室温电场图案极化制备光学超晶格本文档共139页；当前第103页；编辑于星期二\12点13分室温电场图案极化制备光学超晶格LiTaO3,LiNbO3,KTP……本文档共139页；当前第104页；编辑于星期二\12点13分多通道扇形周期可调级联准周期、非周期侧向调制啁啾不同结构的光学超晶格本文档共139页；当前第105页；编辑于星期二\12点13分五、晶体的电光效应1.什么是电光效应广义：在外加电场的作用下，晶体的光学性质（折射率，吸收率等）发生变化的效应。狭义：电致折射率变化（电致双折射）2.电光效应的分类在外加电场E的作用下，折射率与E的关系可写为其中，n0是E=0时的线性折射率。本文档共139页；当前第106页；编辑于星期二\12点13分按照介质折射率改变量与外加电场之间的函数关系的不同，可将电光效应划分为以下两个大的类型：

1）线性电光效应外加电场引起的晶体折射率改变量与电场强度的一次方成正比。1893年由德国物理学家泡克耳斯(F.C.Pockels)发现，又称为Pockels效应。

2）非线性电光效应介质折射率改变量不仅与外加电场的一次方有关，而且还与外加电场的二次方（即平方）、三次方、乃至任意的高次方有关，并且是它们的显函数。

二次电光效应：外加电场引起的晶体折射率改变量与电场强度的平方成正比。1875年由英国物理学家克尔(J.kerr)发现，又称为Kerr效应。

本文档共139页；当前第107页；编辑于星期二\12点13分注意：Pockels效应为二阶非线性效应，只有那些不具有反演对称性晶体才能产生。Kerr效应为三阶非线性效应，所有非线性晶体都能产生。Kerr效应比Pockels效应强度要弱得多，因此，在无对称中心的晶体中，通常只考虑线性电光效应。3.电光效应的测量由于折射率变化一般较。ǔ２捎酶缮娴姆椒ú舛。可用于光通信、测距、显示、传感等领域。本文档共139页；当前第108页；编辑于星期二\12点13分4.几种常见晶体的电光效应1）KDP晶体的线性电光效应

KDP(KH2PO4,磷酸二氢钾)晶体：水溶液培养的一种人工晶体，在光电子技术中有广泛的应用。优点：很容易生长成大块均匀晶体在0.2～1.5μm波长范围内透明度很高抗激光破坏阈值很高。缺点：易潮解。晶体结构：KDP晶体是单轴晶体，属四方晶系。属于这一类型的晶体还有ADP(磷酸二氢氨)、KD*P(磷酸二氘钾)等，它们同为42m晶体点群，光轴方向为x3轴方向。本文档共139页；当前第109页；编辑于星期二\12点13分KDP型晶体外型图未加电场时，KDP晶体为单轴晶体，折射率椭球为旋转椭球，在主轴坐标系(折射率椭球主轴与晶轴重合)中，折射率椭球方程为:单轴晶体的寻常光和非常光主折射率加电场时，KDP晶体线性电光系数矩阵为本文档共139页；当前第110页；编辑于星期二\12点13分加电场时，KDP晶体的感应折射率椭球为i)纵向电光调制：外加电场平行于光轴(Ein//x3,k//x3)的电光效应相应于这种工作方式的晶片是从KDP型晶体上垂直于光轴方向(x3轴)切割下来的，通常称为x3-切割晶片。在未加电场时，光沿着x3方向传播不发生双折射。当平行于x3方向加电场时，感应折射率椭球的表示式为：本文档共139页；当前第111页；编辑于星期二\12点13分x3-切割晶片沿光轴方向外加电场后，感应折射率椭球的三个主轴方向为原折射率椭球的三个主轴绕x3轴旋转45°得到，该转角与外加电场的大小无关，但转动方向与电场方向有关。若取α=45°，折射率椭球方程为：这说明，KDP型晶体的x3-切割晶片在外加电场E3后，由原来的单轴晶体变成了双轴晶体。本文档共139页；当前第112页；编辑于星期二\12点13分光沿x3′(z方向)传播

在外加电场E平行于x3轴(光轴)，而光也沿x3(x3′)轴方向传播时，由γ63贡献的电光效应，叫γ63的纵向运用。

113本文档共139页；当前第113页；编辑于星期二\12点13分

这种情况下，相应的两个偏振分量的振动方向分别平行于感应折射率椭球的两个主轴方向(x，y)，它们的折射率由nx′和ny′给出，这两个偏振光在晶体中以不同的折射率(不同的速度)沿z轴传播：通过长为l的晶体后的相位差通常把这种由外加电压引起的二偏振分量间的相位差叫做“电光延迟”。本文档共139页；当前第114页；编辑于星期二\12点13分由上式可见，γ63纵向运用所引起的电光延迟正比于外加电压，与晶片厚度d无关。当电光延迟φ=π时，相应于两个偏振光分量的光程差为半个波长，相应的外加电压叫半波电压，以Vπ或Vλ/2表示。由此可以求得半波电压为：注意：半波电压只与材料特性和波长有关。如：在λ=0.55μm的情况下，KDP晶体的no=1.512,γ63

=10.6×10-10cm/V，Uλ/2=7.45kV;KD*P晶体的no=1.508,γ63=20.8×10-10cm/V,Uλ/2=3.8kV。本文档共139页；当前第115页；编辑于星期二\12点13分ii)横向电光调制：E//x3′,光沿x2′(或x1′)方向传播当外加电压平行于x3′轴方向，光沿x2′(或x1′)轴方向传播时，γ63贡献的电光效应叫γ63的横向运用。这种工作方式通常对晶体采取45°-x3切割，即如图所示，晶片的长和宽与x1、x2轴成45°方向。光沿晶体的［110］方向传播，晶体在电场方向上的厚度为d，在传播方向上的长度为l。

本文档共139页；当前第116页；编辑于星期二\12点13分当沿x3方向外加电压时，晶体的感应折射率椭球的主轴方向系由原折射率椭球主轴绕x3轴旋转45°得到，因此，光沿感应折射率椭球的主轴方向x2′传播时，相应的两个特许线偏振光的折射率为n1′和n3′，该二光由晶片射出时的相位差(“电光延迟”)为：等号右边第一项表示由自然双折射造成的相位差；第二项表示由线性电光效应引起的相位差。本文档共139页；当前第117页；编辑于星期二\12点13分与γ63纵向运用相比,γ63横向运用有两个特点：i)电光延迟与晶体的长厚比l/d有关，因此可以通过控制晶体的长厚比来降低半波电压，这是它的一个优点；

ii)横向运用中存在着自然双折射作用。由于自然双折射(晶体的主折射率no、ne)受温度的影响严重，所以对相位差的稳定性影响很大。由于横向运用必须采取补偿措施，结构复杂，对两块晶体的加工精度要求很高，所以，一般只有在特别需要较低半波电压的场合才采用。

本文档共139页；当前第118页；编辑于星期二\12点13分2）

其它具有线性电光效应的晶体

i）LiNbO3型晶体：LiNbO3(铌酸锂)以及与之同类型的LiTaO3(钽酸锂)、BaTaO3(钽酸钡)等晶体。它们在0.4～5μm波长范围内的透过率高达98%，光学均匀性好，不潮解。其主要缺点是光损伤阈值较低。ii）GaAs、BGO型晶体：GaAs(砷化镓)晶体、InAs(砷化铟)、CuCl(氯化铜)、ZnS(硫化锌)、CdTe(碲化镉)等；

iii）BGO(锗酸)晶体、BSO(硅酸)在电光调制、光信息处理、光电子技术等领域内，有着重要的应用。本文档共139页；当前第119页；编辑于星期二\12点13分3）

具有二次电光效应的晶体所有晶体都具有二次电光效应。但是在没有对称中心的20类晶体中，它们的线性电光效应远较二次电光效应显著，所以对于这类晶体的二次电光效应一般不予考虑。在具有对称中心的晶体中，它们最低阶的电光效应就是二次电光效应，但人们感兴趣的是属于立方晶系的那些晶体的二次电光效应。因为这些晶体在未加电场时，在光学上是各向同性的，这一点在应用上很重要。克尔效应可以存在于所有电介质中，某些极性液体(如硝基苯)和铁电晶体的克尔效应很大。本文档共139页；当前第120页；编辑于星期二\12点13分几个常见的Kerr非线性材料的参数材料折射率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空气1atm1.000270.00347000本文档共139页；当前第121页；编辑于星期二\12点13分3.2.2非线性光学晶体材料一、概述激光频率转换(变频晶体)(1)红外波段频率转换晶体黄铜矿结构型晶体:AgGaS2;AgGaSe2;CdGeAs2

等特点:非线性光学系数很大,但能量转换效率不高,受晶体光学质量和尺寸大小的限制,得不到广泛应用.(2)从可见光到红外波段的频率转换晶体磷酸盐:磷酸二氢钾(KDP)结构型晶体和磷酸钛氧钾(KTP)型晶体

KDP特点:具有优良的压电、电光和频率转换性能,易生长,得到广泛应用.KTP特点:频率转换的”全能冠军”材料碘酸盐晶体:-碘酸锂;碘酸;碘酸钾等铌酸盐晶体:铌酸锂;铌酸钾;铌酸锶钡等本文档共139页；当前第122页；编辑于星期二\12点13分(3)紫外波段的频率转换晶体偏硼酸钡(BBO)晶体:倍频系数大,倍频阈值功率高,能在较宽的波段内实现相位匹配,激光损伤阈值高,物理化学性能稳定.三硼酸锂(LBO)晶体:透光波段宽,非线性光学系数大,激光损伤阈值最高的非线性光学晶体材料.LAP晶体:非线性光学系数大,紫外三倍频和四倍频转换效率高,可制多频率转换器.2.电光晶体磷酸二氘钾;铌酸锂;钽酸锂;氯化亚铜等特点:能满足综合性能要求的晶体很少,有待于进一步探索新型晶体.3.光折变晶体钛酸钡;铌酸钾;铌酸锂等特点:仍需要寻找具有光折变灵敏度高,响应速度快,衍射效率高等特点的新型光折变晶体材料.本文档共139页；当前第123页；编辑于星期二\12点13分二、非线性光学晶体应具备的性能(一)大的非线性光学系数(二)适当的双折射率,能够在应用的波段区域内实现相位匹配,而且相位匹配的角度宽容度和温度宽容度要大,如果能够实现非临界相位匹配或通过温度调谐等方法实现非临界相位匹配则更好.(三)足够高的抗光损伤阈值.(四)良好的化学稳定性,不易风化,不易潮解,在较宽的温度范围内无相变,不分解,以保证能在没有特殊保护的条件下长期使用.良好的力学性能使晶体易于切割抛磨,镀覆各种光学膜层,制作各种实用器件,也是十分重要的.(五)具有良好的生长特性，原料价格适当、生长工艺稳定、能够生长出大尺寸的优质单晶等。非线性光学晶体一般是绝缘体，对于激光是透明的。非线性光学效应发生在那些具有非对称中心的材料上，并且它们具有高度可极化性、也是具有高折射率的晶体。许多非线性光学晶体可通过引入如铁电材料的离子来扩展其可极化性。本文档共139页；当前第124页；编辑于星期二\12点13分非线性光学晶体材料用于激光频率转换晶体，可将有限的激光波长转换成新波长的激光，这是现今获得新激光的光源的重要手段。激光频率转换晶体的性能要求1）晶体具有大的非线性光学系数2）晶体能够实现相位匹配，最好能实现90度最佳相位匹配3）透光波段宽、透明度高4）晶体的激光损伤阈值要高5）晶体的激光转换效率要高6）晶体的物理化学性能稳定，硬度大，不潮解，随温度变化。既刃院7）机械强度高，可以抛光、镀膜7）可获得光学均匀的大尺寸晶体8）价格低廉，易于加工等。常用的激光频率转换晶体：KDP,LN,BBO,KTP,LT…（P483）本文档共139页；当前第125页；编辑于星期二\12点13分常用非线性光学材料特性三、常用的非线性光学功能材料本文档共139页；当前第126页；编辑于星期二\12点13分1）KTP磷酸钛氧钾(KTP,KTiOPO4)是一种重要的非线性光学功能材料。具有优异的非线性光学性能，高达15（KH2PO4＝1）的χ(2)值。优点：1）非线性光学系数大，是KDP的15~20倍2）室温下即可实现相位匹配，且对温度和角度变化不敏感，透光性好（0.35~4.5um）3）机械性能好，化学稳定性好，不潮解，耐高温，可生长出大尺寸的光学均匀性好的单晶KTiOPO4的结构：TiO6八面体和PO4四面体连接形成网络，钾离子占据其中的孔隙位置（圆圈）本文档共139页；当前第127页；编辑于星期二\12点13分生长方法：高温溶液—缓慢降温法（P495）水热温差法：过饱和溶液结晶生长（光学均匀性优于前者）用途：激光器腔内外倍频材料1）Nd：YAG腔内外倍频，获得高功率蓝绿光激光光源（军用武器）2）固体激光系统：激光加工、测距、治疗等3）参量振荡OPO、混频，光波导等本文档共139页；当前第128页；编辑于星期二\12点13分2）LN晶体LiNbO3是一种重要的非线性光学材料。铌酸锂(LN)的结构：具有ABO3计量式的铌酸锂并不采取钙钛矿型结构。Li＋和Nb5＋两个离子的半径太相近了，以致于它们不符合钙钛矿结构，减小到一个很小的容限因子。另外，锂原子通常占位具有低的配为数4或6。右图绘出了LiNbO3采取的结构，其中锂离子由6个氧原子配位，并且它在八面体位置里有一定错位，因而LiNbO3具有铁电性。此外，LiNbO3还是一种优异的电－光调制材料。LiNbO3结构本文档共139页；当前第129页；编辑于星期二\12点13分优点：非线性光学系数大（其χ(2)相对KH2PO4＝1，是13）；易于实现非临界相位匹配缺点：抗激光损伤阈值低生长方法：熔体提拉法（容易生长出大尺寸晶体）应用：激光倍频器、光学开关、滤波器、OPO器件、光波导、微波导向仪等。LiNbO3结构本文档共139页；当前第130页；编辑于星期二\12点13分3）QPM常用的非线性晶体材料CLN：化学计量比铌酸锂SLN：同成分铌酸锂CLT：化学计量比钽酸锂SLT：同成分钽酸锂MgSLN：掺MgSLNMgCLN、MgCLT、MgSLT注：化学计量比：原子数比例和化学式接近同成分：Li原子比较少，缺少Li空位本文档共139页；当前第131页；编辑于星期二\12点13分几种常用的QPM非线性光学材料性质对比本文档共139页；当前第132页；编辑于星期二\12点13分CLN与CLT光学级的CLT和CLN矫顽场均为21KV/mm，1mm以上厚度样品制备困难。CLT的抗光损伤较CLN有优势。CLN的畴壁相比CLT较为平滑.两者在室温时均有较明显光折变现象。适于在高温下（140度以上）工作。温度100度以上，CLN光折变效应基本消除，获得较高转换效率。适合应用于1064nm泵浦，OPO产生中远红外激光。或者在功率较低的情况下（一般为W级）用于频率上转换产生可见光。国内生长技术成熟，有能力进行规模生产。本文档共139页；当前第133页；编辑于星期二\12点13分MgCLN与MgSLNMgCLN生长相对简单，国内有能力批量生产，MgSLN的生长较为困难。MgCLN需要掺杂约5％MgO才能有效提高其抗光损伤能力，MgSLN只需要掺杂约1％MgO即可。MgCLN的矫顽场为5KV/mm，制备2mm以上厚度样品较为困难，MgSLN矫顽场约为2KV/mm。MgCLN和MgSLN制备小周期（10um以下）超晶格较为困难，多应用于1064nm泵浦OPO产生中远红外输出本文档共139页；当前第134页；编辑于星期二\12点13分SLT与MgSLTSLT的矫顽场显著降低SLT的畴壁比CLT平滑SLT在低温下的光折变效应依然明显，MgSLT则表现优秀，能够在室温下稳定工作目前国内生长SLT和MgSLT技术还不成熟MgSLT畴壁运动较难控制本文档共139页；当前第135页；编辑于星期二\12点13分光学超晶格全固态绿光激光器光学超晶格全固态红光激光器光学超晶格准白光激光器2-5μm可调谐OPO激光器本文档共139页；当前第136页；编辑于星期二\12点13分四、应用新波长激光器3-5um中远红外波长军用激光；微型化全固态RGB激光（激光显示）2.医疗红紫双波长：紫光探测，红光治疗光动力疗法诊治肿瘤的过程是，患者先静脉注射血卟啉衍生物(HPD)，48～72小时后在肿瘤部位的浓度比正常的肌肉、皮肤等其他组织里的浓度高得多，这时应用紫或蓝绿光照射肿瘤部位，恶性肿瘤组织即产生红色的荧光，可以诊断、定位恶性肿瘤；当被一定波长的红光照射时，因红光穿透作用较深，与肿瘤内血卟啉衍生物产生光化学反应，在肿瘤内产生单态氧、自由基等，从而选择性地破坏肿瘤组织。）光动力疗法的全固态紫、红双色激光器1342+1064nm双波长激光器+双周期PPLN->红、紫

本文档共139页；当前第137页；编辑于星期二\12点13分3.深海探测4.在量子光学中的应用1980s,利用光学参量下转换（SPDC）产生双光子EPR态通过BPM晶体产生的EPR双光子态已经广泛用于量子信息、量子计算、量子密集编码等，奠定了当代量子信息工程的基础。本文档共139页；当前第138页；编辑于星期二\12点13分介质折射率石英（水晶)SiO2no=1.5442ne=1.5533KDPno=1.5152ne=1.4727K7(玻璃)1.5207熔融石英1.458水1.333空气(大气压)1.0003一些介质的线性折射率值附录本文档共139页；当前第139页；编辑于星期二\12点13分