激光倍频晶体的研究现状分析讲解

1、摘要:倍频晶体是近几年激光领域人们关注的热点之一，倍频晶体也随之发展起来。本文 通过分析国内外各科研机构关于光纤激光器的倍频实验，指出各种常用倍频晶体的优点和缺陷，对未来使用倍频晶体的实验具有指导和参考价值。关键词 ：倍频晶体；激光器；相位匹配Abstract: Fiber laser is the focus of attention of the people in recent years. SHG also will be developed. Based on the analysis of the scientific research institutions at home a

2、nd abroad on the frequency fiber laser experiment, the paper pointed out that various commonly used SHG advantages and shortcomings, given guidance and reference for the future use of SHG experiment.Key words: Frequency(SHG; Fiber laser; Phase-matching目录摘要 ABSTRACT 引言 1 TOC o 1-5 h z 实验研究仪器1光纤激光器及其结

3、构1光纤激光器的倍频2倍频晶体的现状分析2倍频晶体 2 TOC o 1-5 h z PPLN晶体倍频输出绿光3PPLN晶体倍频输出可见光4 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document PPKTP晶体倍频应用5 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document PPLT 晶体的倍频应用6结果与讨论7前景与展望9 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 实验成果的应用9理论研究的应用10参考文献12近年来，关于自倍频晶休的研究工作取得了重大进展。自倍频晶体是将激光晶体和倍频晶体合二为

4、一的一类晶体。迄今最主要的自倍频晶体有两种：掺钦和氧化锰的视酸铿和硼酸钦忆铝。自倍频晶体可用于直接产生蓝绿激光，其作用原理如下：用波长为650nm 左右的红激光泵浦自倍频晶体，发生激光作用产生波长略大的近红外激光，同时红外激光在晶体中倍频而产生绿激光。目前，可以得到的NMLN 晶体的尺寸(10 x10 x20mm 比 NYAB 晶体的尺寸(4x4x10mm 大，但是NMLN用于产生绿激光时有两个缺点：(1NMLN 的非临界相位匹配温度高，会引起热感应加宽和激光下能级的吸收，使阂值升高；(2增加 MgO 的掺杂量能降低相位匹配温度，但吸收损耗也同时增加了。所以，在高温下工作的NMLN 至今只用于

5、染料激光泵浦的系统中，输出lmW 量级的绿光功率，二极管激光泵浦的NMLN 还未见报道。二极管泵浦NYAB 产生绿激光的系统已经研制成功，它与二极管泵浦激光器并通过 KTP 晶体倍频的系统相比有下列优点：(1NYAB 的吸收带宽比Nd:YAG 的吸收带宽(在 808.5nm处 0.5nm宽得多；(2NYAB 的受激发射截面比Nd:YAG 的大或者差不多，但没有Nd:YAG 所显示的浓度羚灭效应；(3用 KTP 倍频时需要一块四分之一波片来改变激光的偏振态，而在NYAB 系统中不需要这种波片；(D 只用一块 NYAB 晶体就能产生绿激光，有利于制成输出大功率绿光的微型激光器。实验研究仪器光纤激光

6、器及其结构光纤激光器是用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，是在光纤放大器的基础上开发出来的。在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，适当加入正反馈回路(构成谐振腔)形成激光振荡输出。发射激光的波长取决于纤芯掺杂不同的离子和反射面种类（典型的例子是布拉格光栅）。光纤激光器包括一盘双包层掺杂光纤，两个反射镜和一个泵浦源。泵浦 源为单芯二极管激光器或二极管激光器阵列，或是一个小功率的泵浦光纤激光器。图 1 是单膜光纤激光器的结构示意图1。1-1 单膜光纤激光器的结构示意图光纤激光器的倍频频率转换是一种扩大高功率激光器应用范围的有效技术，它利用光学介质

7、在强辐射场下的非线性光学效应产生新的频率。利用非线性光学晶体实现光的频率转换以拓宽激光波长范围，可以使激光获得更广泛的应用。随着激光技术的发展，包层光纤激光器能在很宽的频谱范围内提供高功率，大有取代半导体激光抽运固体激光器（DPSSL 的趋势。固体激光器技术已经相对成熟，但是在小型化、柔性化方面光纤激光器有着固体激光器所不能比拟的优势，更重要的是光纤激光器更容易获得高光束质量的激光输出。近年来，倍频晶体制作工艺的完善，使得光纤激光器在非线性频率转换中的地位越来越重要。光纤激光器的准相位匹配技术通过改变周期性极化晶体的光栅周期来对角度匹配无法实现倍频的波段进行倍频，在科学技术和激光应用方面有着广

8、阔的前景。例如，利用周期性极化的倍频晶体对光纤激光进行倍频，已经实现了高转换效率的绿光输出3。倍频晶体的现状分析倍频晶体1961 年，Franken和他的同事们发现，当红宝石激光束通过石英晶体时，能够产生两倍频该光束的紫外光。该发现给激光学界的研究人员带来了福音。因此，人们开始对各种光学晶体的倍频特性进行深入研究。20 世纪 80 年代以前，常用的倍频晶体主要有KD*P 、 LiI O3、 LiNb O3、 CD*A 等。目前主要用KTP、BBO、 LBO、 PPKTP和 PPLN 等晶体。国内外用于准相位匹配器件制备的材料有很多 4，如铌酸锂晶体(LiNb O3、钽酸锂晶体(LiTa O3、

9、铌酸钾晶体(KNb O3、磷酸氧钛钾(KTiOP O3，即(KTP 以及它的同族晶体，也有使用聚合物、光纤等制备准相位匹配器件。每一种材料都有各自的优缺点，相对而言，KTP 晶体以其较低的矫顽场电压和光折变效应，较高的光破坏阈值和非线性系数以及良好的温度稳定性受到广泛关注，成为新一代准相位匹配器件的研究热点。目前，瑞典、以色列等国家已经掌握了比较成熟的周期极化KTP，即PPKTP的高压电场极化反转工艺，并为国际上大多数的准相位匹配技术研究机构提供产品。他们制备的PPKTP 器件主要用于激光倍频、光参量振荡等非线性场合。当用长度7mm 8mm 的 KTP 晶体，对于多模兆瓦级YAG 激光器，其倍

10、频效率可达30%，对TEMOO 单横模激光器，倍频效率可高达60%。实验证明KTP 晶体的抗光伤强度可高达400mW/cm2，而BBO 晶体可高达1000mW/ cm2以上。据报道，瑞典皇家工学院制备的PPKTP 最高倍频效率已经达到66%。 PPKTP器件的制备具有很高的技术含量，因此价格十分昂贵。我国拥有KTP 晶体生产的优势，自主研制和生产PPKTP器件在知识产权和经济效益方面都有很高的社会价值。通过改进了高压极化电场的有参数，在一定程度上可以提高PPKTP 晶体的质量。例如，用光纤激光器输出的1064nm基频光泵浦PPKTP倍频晶体，改进了光学系统可以使PPKTP 倍频效率提高一个数量

11、级。在光纤激光器的实验研究中，利用倍频晶体实现光波长变换输出的较多。近些年国内关于光纤激光器倍频技术的研究如火如荼，山西大学、中国科学院上海光机所、天津大学等一些科研院相继都做了一些关于各种倍频晶体的实验研究，其中包括 PPLN、 PPKTP、 PPLT等晶体，并获得了一些宝贵的实践经验。PPLN晶体（周期性极化铌酸锂晶体），通光范围为0.4 m 5m ，在可见和红外波段具有较低的散射和吸收，结构破坏阈值为10J/ cm2 （波长为1064nm，脉宽10ns。其应用较为广泛，通过倍频可以输出绿光及其可见光等不同波长的光。2.2 PPLN 晶体倍频输出绿光利用周期性极化晶体PPLN 和双包层光纤

12、激光相结合可以获得绿光激光输出。双包层光纤激光器输出中心波长为1064nm，重复频率为20kHz 100kHz 连续可调，谱线宽度约为6nm，输出功率为0W 10W可调，光束直径约为10mm。周期性极化铌酸锂晶体（PPLN 光栅周期6.5 m ，尺寸为20mm 5mm 0.5mm。采用 PPLN 对掺 Yb 双包层光纤激光器的准连续输出进行倍频。在保持PPLN193.1时，抽运功率为650mW时，得到6.7%的最高谐波转换效970mW 时，可以得到59mW的最高绿光功率输出。实验流程如所示。在图 2-1 中， PBS为偏振棱镜；PPLN 为倍频晶体；Pris 为分光棱镜；f 、 ff 和 f

13、为透镜。如果将抽运源选为宽Yb 双包层光纤脉冲放大器，继续利用PPLN 倍频晶体2-1 所示。实验发现宽带多纵模的光纤激光将会影2-1 PPLN 晶体实验流程图PPLN 晶体倍频输出可见光2利用激光谐振腔产生的1.7mW 中心波长为1614nm 的激光，通过977nm的泵浦光输运，送至前置放大器，并经过功率放大，缩束后由PPLN 倍频，可以输出功率60mW、波长为807nm 的激光。在该实验中，PPLN 晶体极化周期为20.2 m ，厚度0.46mm，晶体温度控制在70 。其转换效率为44%。实验流程图如图2-1 所示。在图 2-1 中， 为主振荡器； 为前置放大器； 为功率放大器； 为倍频器

14、； WDM 为波分复用器；EDF 为掺 Er 光纤； SESAM 为半导体饱和吸收镜；FM 为光纤反射镜；LMA EDF 为宽模掺铒光纤；PPLN 为倍频晶体。用高压电场极化LiNbO 晶体制成的周期极化铌酸锂(PPLN 可以实现全光频率变换，如倍频(SHG、和频 (SFG、差频 (DFG、参量振荡(OPO 和参量放大(OPA 等，但 PPLN 的某些内在性质却限制了这种材料在短波长和高功率上的应用。PPKTP 晶体倍频应用PPKTP 晶体(周期性极化磷酸氧钛钾晶体)是世界各国使用比较频繁，且较为成熟的倍频晶体之一。在国内，利用离子交换法来降低磷酸氧钛钾(KTP 的电导率，用高压电场极化反转成

15、功地获得了体积为4mm 6mm 1mm，周期为A 9.0 m 的周期极TP(PPKTP晶体。在倍频(SHG光学系统中用包层的光纤激光器输出的1064nm激光作为泵浦光，常温下得到PPKTP器件的最高SHG 转换效率，归一化SHG 效率为2.4%。这是2004年国内自制PPKTP SHG器件得到的最高转换效率。实验如图2-2所示。图 2-2 PPKTP 器件 SHG 转换实验流程图在图 2-2中，PPKTP为倍频晶体；Prism为分光棱镜；f1、 f2 为透镜。国外一些利用PPKTP5 倍频晶体进行光纤激光倍频的实验也较多。使用 5W 的 938nm 的单频二极管激光器，通过掺钕放大器的输运，利

16、用PPKTP晶体倍频输出了469nm的绿光功率为66mW。晶体的转换效率达到了11%。美国劳伦斯实验室Alex Drobshoff 的实验流程如图2-3所示。2-3 美国劳伦斯实验室Alex Drobshoff 的实验流程图图 2-3 中 Of1 、 Of3 为泵浦输运光纤；Of2、 Of4为光纤放大器；M1 、 M2、M3、 M4为双色镜；ISO为光隔离器；PPKTP为倍频晶体；PBS为偏振棱镜；P1、 P2为半波片；P3、 P4为四分之一波片。通过该实验发现，在较大泵浦输出功率的情况下，使用PPKTP 晶体后的转换效率有一些降低。但是也得到了一些启示，即结合周期极化非线性晶体可以产生一 个

17、新波长的激光。PPLT 晶体的倍频应用利用 PPLT（周期性极化钽酸锂晶体）也可以实现宽线宽的准连续掺Yb 双包层光纤放大激光倍频。与周期性极化的铌酸锂PPLN 相比， PPLT晶体超晶格的非线性系数虽然低一些，但抗光损伤能力较强，日益受到人们的重视。实验采用基波光源为种子注入的准连续掺Yb 双包层光纤放大激光，中心波长为 1064nm，输出的光束直径约为1cm，光纤激光的带宽约为6nm，重复频率为20kHz 100kHz，输出功率为0 10W可调。倍频晶体PPLT由南京大学固体微结构实验室采用室温外电场极化法制备，晶体尺寸为40 mm 3mm 0.5mm，端面没有镀膜。 PPLT极化周期为7

18、.67m ，对 1064nm倍频的理论上的最佳温度120。当基频光的功率为2.2W时，获得的宽线宽光纤激光倍频效率为1.8%。选用窄线宽种子源振荡的双包层掺Yb 光纤放大激光作为基频光将会较大程度上提高倍频效率。利用 PPLT的倍频实验流程如图2-4所示。在图2-4中，PBS为偏振棱镜；PPLT为倍频晶体；L 、 L 、L 和 L 为透镜。图 2-4 利用 PPLT的倍频实验流程图结果与讨论倍频晶体利用激光与晶体的相互作用产生的谐波、合频、差频和参量振荡等二阶非线性光学效应进行光的频率转换，扩展了激光频率覆盖的光谱范围。因为不同的激光的基频波长对倍频晶体的匹配方式、匹配方向、可接收角、可接收线

19、宽、可接收温度宽度等重要参量影响不同，为了获得较好的倍频效果，深入分析倍频晶体倍频特性，显然十分重要。国内外各科研机构对倍频晶体进行了多方面的研究和使用。通过对激光器倍频实验的分析，总试验结果如表3-1 所示。表 3-1 光纤激光器倍频实验结果科研机构英国南2002 安普顿大学上海光 2004.7机所天津大 2004.7学2005.1抽运源掺 Er光纤放大激光Nd:YVO4激光光纤激光单频二极基频光 倍频晶波长 /nm 体1614 PPLN1PPLN0641064 PPKT938 PPLT输出 倍频抽运功光功率 波长率 /W/mW /nm光光转备注换效率 /%608070.97 5953253

20、25466 469446.70.3211管激光器斯实验室上海光掺 Yb 双包抗光伤2006.1 机层光纤放大1064PPLT 2.2532频效率PPLN激光1.8%表 3-2倍频晶体的性能参量PPKTP容易非常高晶体类型非线性参数破坏阈值高功率输出转化效率备注KTP较大较高容易高抗光伤能达PPLN大低难实现一般400W/cm抗光伤比PPLT小较高容易高PPLN 强LBO较大很高容易高抗光伤高达BBO较大很高可实现高1000mW/cm倍频晶体直接关系到激光的转换效率和功率输出，以及实验系统的稳定性。因此对于激光倍频实验来讲，倍频晶体的非线性系数、破坏阈值也是我们选择必须考虑的方面。 从表 3-2

21、 中可见，采用PPLN、 PPKTP和 PPLT晶体通过倍频1064nm都实现了 532nm的绿光输出，其转换效率却各不相同，其中PPLN的转换效率较高。目前，在准相位匹配(QPM倍频技术中应用比较成熟的晶体是PPLN、 PPKTP和 PPLT。通过周期性的改变晶体的自发极化符号，重新安排相位，从而充分利用晶体的二阶非线性极化张量中的最大张量达到高的非线性系数，而且可以避免走离效应，来获得较高的倍频转换效率。另外，也可通过固体激光器产生1064nm的激光，使用KTP、 LBO晶体进行频率转换获得绿光。而且KTP晶体除有大的有效非线性系数外，还具有大的允许角、允许温度及小的走离角，而且不潮解，破

22、坏阈值也较高，所以通常人们选用KTP晶体进行类匹配来获得绿光。常用于全固态紫外波段激光频率转换的晶体主要有BBO、 LBO 和 CLBO 等晶体。BBO 晶体从紫外到中红外范围内的非线性频率转换的特性非常好，有较大的非线性系数，大的温度容限，小的吸收系数及很高的损伤阈值，其主要不足是角度容限小。用于实现532nm 266nm激光频率转换的BBO 和 CLBO 晶体均为优良的紫外非线性晶体。表3-2 是目前经常接触到的倍频晶体的性能参量。前景与展望实验成果的应用倍频晶体是重要的光子材料，利用激光和晶体的非线性相互作用，来扩展光纤激光器的有限的光谱范围，是倍频晶体最重要和最成熟的应用。我国现代工业

23、晶体的出现较晚，与国外相比还存在差距。随着生物技术、信息技术、纳米科技和环境科学技术的发展，在晶体的研究方面逐渐拉近了距离。但近年来我国科学家潜心钻研，先后发现并合成了KBBF 、 SBBO、 TBO、 BABO、 KABO 等一系列深紫外新晶体，这些晶体均具有优异的紫外倍频性能。在其他领域中，非线性材料的倍频晶体也得到了广泛的应用。例如，在光纤通信系统中用的最多的是作为光调制器和光波导用的LBO 晶体。当然，光通信用的波导晶体 LBO 需要高光学质量的单晶，其中Li O和 Nb O 的化学计量比严格控制在1:1。由于光网络逐渐向全光方向发展，光集成技术将日趋成熟，与单晶硅大量用于集成电路的芯

24、片相似，未来的集成光路也需要大量的高质量的晶片作为光子器件衬底（光芯片。目前，光纤激光器已经实现800nm 2100nm波段的激光输出，最大功率已达到万瓦量级，应用也从光通信扩展到激光打标、激光加工、图像显示、生物工程、医疗卫生等领域。未来光纤激光器将会重点落在本身性能的提高和改进上。比如通过选择光器件，非线性的倍频晶体，来提高输出功率和转换效率，优化光束质量，缩短增益光纤长度，提高系统的稳定性等等。在频域方面，宽带宽输出并可调谐的光纤激光器也会成为未来研究的重心。4.2 理论研究的应用综上所述 ， 以 Yb:YAB 为基质晶体的激光自倍频实验获得了很好的结果。Yb:YAB 晶体是目前自倍频输

25、出最高的激光材料， 因此 Yb:YAB 晶体有很大的发展潜力和广阔的应用前景。由于Yb3+离子从红外到可见光区只有一个激光通道， 而其吸收与980nm 的 LD 相配合。故可利用Yb3+作为其他稀土离子如Er3+， Ho3+等的敏化剂， 尝试生长 (Yb,Er 或 (Yb,Ho 双掺的 YAB 晶体 ， 从而进一步拓宽这一类激光自倍频晶体的研究范围， 丰富激光自倍频晶体的种类， 探索新波段的激光光源。此外， 拉曼位移激光器是当前获得新波段激光的手段之一。H.M.Pask和 J.A.Piper6 曾报道采用LiIO3 作为Raman位移活性介质 ， 以一台 LD 泵浦 Nd:YAG 为光源 ， 通过一对 Brewster片形成偏振， 声光调 Q(5-25kHz 产生脉宽为 2050ns的脉冲激光， 通过 LiIO3 晶体后 ， 1064nm 的激光通过1 级 Stokes效应转换为1155nm激光,当 LD 电流为 18A时 ， 1155nm 激光的平均