355nm激光器#严选材料

1、1 绪 论自 1960 年第一台红宝石激光器问世以来，激光器技术得到了迅速发展，而其中固体激光器以其独有的效率高、体积小、寿命长、运转稳定、维护方便等优点成为激光技术中最具有发展前途的研究领域之一。八十年代中后期，随着激光二极管的问世，LD 泵浦全固态激光器(Diode Pumped Solid-state Laser 或DPSSL)技术得到了极大的发展，特别是全固态绿光、紫外激光器的研究更是吸引了众多的科研工作者，一些性能优良的全固态激光器已走出实验室，以适中的价格和优良的性能进入激光器的市场。世界上第一台激光器诞生于1960年，我国于1961年研制出第一台激光器，40多年来，由于激光具有单

2、色性好，方向性强，相干性好及亮度高等优异性能，激光技术与应用发展迅猛。全固态激光器因体积小、结构紧凑、运转可靠、维护方便等一系列优点，一直吸引着无数的激光工作者们。在本章中对全固态激光器的发展现状、应用状况及355nm全固态紫外激光器国内外研究现状、泵浦方式作出了较全面地总结。1.1激光器的发展与现状激光器根据工作物质的不同主要可分为气体和固体两大类激光器。气体激光器是以蒸汽或气体作为工作物质产生激光；固体激光器是由玻璃或光学透明的晶体作为基质材料，掺与激活物质或激活离子产生激光。在固体激光器以前气体激光器一直都是激光器的唯一来源。气体激光器可分为准分子激光器、离子激光器和氦-镉激光器三大类。

3、这三类气体激光器的应用方式各有不同，准分子激光器主要以脉冲放式应用；氦-镉激光器和离子激光器主要以连续方式的应用。气体激光器主要以准分子激光器为主。它是一种以准分子为工作物质的一种气体激光器。通常用横向快速脉冲放电或相对论中电子束能量大于200千电子伏特来实现激励的。当受激发态准分子中不稳定分子键断裂而离解成为基态原子时，受激发态的能量以激光辐射形式放出。主要可用于同位素分离、激光光谱学、光通信、生物学等领域。离子激光器是一种以离子为工作物质的气体激光器。最常见的是氩离子激光器，其发出的蓝绿色激光正好可应用于医学眼科，并且可以水下作业。氦-镉激光器是一种以镉金属蒸气为工作物质的气体激光器。主要

4、可应用在血细胞计数、活字印刷、激光诱导荧光实验以及集成电路芯片检验等领域。准分子激光器的光束质量差，需要用遮光膜将会损失95%或更多能量；离子激光器也有方向稳定性差等缺点。这几种气体激光器的缺点主要表现在设备庞大、设备费用高、能耗高、占地面积大、可靠性小、寿命短等。固体激光器根据泵浦源的不同主要可分为连续弧光灯激光器、闪光灯激光器，和由于近年来激光二极管技术的飞速发展而实现的激光二极管泵浦全固态激光器。与市场上现有的这几种灯泵浦固体激光器相比，激光二极管泵浦全固态激光器具有许多显著的优点，主要体现在：（1）系统效率有所提高：和闪光灯发射效率相比较而言，激光二极管在808nm发射带与钕吸收带之间

5、有很好的光谱匹配，从而达到高效率。实际上，闪光灯辐射出的能量与输入的电能量之间转换效率可高达70，而激光二极管辐射出的能量与输入电能之间转换效率只有2550。但是，不同的钕吸收带吸收只是闪光灯辐射能其中的一小部分，激光二极管输出的波长是可选择的，一般在特定的固体激光器中可使其都处于吸收带中从而提高转换效率。（2）光束质量有所改善：激光二极管泵浦全固态激光器发射的波长和钕吸收带之间有很好的光谱匹配，从而使激光材料积累的热量减少了，降低了热透镜效应，进而使光束质量有很好的改善。再者由于激光二极管好的方向性，使得我们可以设计出泵浦光和低阶模之间存在很好模式匹配的谐振腔，从而有高亮度激光输出。（3）高

6、的脉冲重复频率：准连续激光二极管泵浦全固态激光器除了有连续弧光灯和闪光灯的连续运转和低重复频率特性以外，还能使固体激光器在几百甚至几千赫兹重复频率范围内脉冲运转。（4）元件寿命有所提高：激光二极管泵浦全固体激光器的可靠性和系统寿命都比灯泵浦全固态激光器有所提高。当连续工作时，激光二极管的寿命约为h，脉冲发射次数约为；而闪光灯的寿命约为500h，脉冲发射次数约为；连续弧光灯在管壁上容易有积淀物使其发生破坏性失效，通常也只有几百小时的寿命。（5）能实现结构紧凑的激光系统：激光二极管光源比灯泵浦源输出有小的发射角和好的光束方向性，故有可能设计出结构紧凑的新型激光系统，例如端面泵浦激光器、光纤耦合激光

7、器和微芯片激光器等。（6）有利于健康：弧光灯泵浦系统中会有高温、高压脉冲和紫外辐射，而激光二极管泵浦系统则不会出现这些不利于健康的因素。此外，灯泵浦系统中出现的大量紫外线和高强度的泵浦光，使冷却水和泵浦腔出现衰变，从而系统功能会出现衰退现象且需要售后维护，激光二极管泵浦系统则不会出现这些问题。1.2 全固态紫外激光器的应用状况及获得方式1.2.1 全固态紫外激光器的应用紫外激光的聚焦性能好、波长短、光子能量高且具有冷处理等特点，并能激发特定光化学反应，这些特点使得其在光数据存储、光谱分析、光盘控制、光化学反应、大气探测、生物、医学及科研等领域具有广泛的应用。紫外激光在微加工应用具有三个明显的优

8、势：第一，短的波长可以加工非常小的零部件，光束衍射效应是限制零部件加工最小尺寸的一个主要原因，可达到的最小聚焦点直径随波长呈线性增加；第二，能量高的光子可直接破坏材料内部分子的化学键，这种过程称为“冷”处理过程，与可见光激光器和红外激光器利用聚集热量来熔化加工部位的材料相比其热影响区几乎可忽略不计；第三，在自然界中大部分材料都能吸收紫外光，它的这个特点使得紫外激光能加工很多可见激光和红外激光不能加工的材料。上述三个优越性使得紫外激光可以加工塑料制品和薄膜橡胶等脆弱物质，也使得其在生物工程、先进制造业、环境监测、半导体产业、相干激光检测等领域都有重要应用。1）生物工程上的应用自从1997年第一次

9、研发出用准分子激光器制作出聚合物微流控芯片以后，激光器制作聚合物微流控芯片就成为当今研究的一个热点。微流控芯片在生物分析及合成、DNA测序、基因突变、细胞的培养等领域都有广泛应用。它是一种通过微米级的管道网络流体来控制的技术，把机械泵或电渗等作为驱动来完成流体的运输，再结合一种功能化的微小单元，使得流体中的组成成分在流动的过程中完成分离和分配最后再通过检测器检测。紫外激光加工具有“冷”加工的特点，在用紫外激光来制作微流控芯片时，紫外激光是直接破坏分子的化学键而使材料被分解去除，激光可以直接写入制作微流控芯片不需要掩膜。这一整个制作过程快速、灵活且不需要无尘设备和耐腐蚀化学剂。2）先进的制造业，

10、主要应用于微加工和速快定型很多年以来，市场上激光标刻主要是用1064nm波长的闪光灯激光器，它是通过聚集热量来熔化材料来标记的，这样不可避免地会对材料的表面造成或多或少的损伤。紫外激光只是使植入到塑料内部的颜料发生光化学反应，来改变颜料的光谱特性，即红外激光的内反射改为紫外激光的吸收，这一光化学反应只是使材料的表面产生很高的对比度而形成标记，材料的表面不会有损伤。紫外激光不仅可以用在激光标记上，还可以用来对纺织品的表面进行处理，用紫外激光处理的材料仅仅在结构的表层发生变化，而纤维材料的本质不会发生变化。它还能在特定的区域对材料的表面进行无接触性的物理处理，同时还能不使用任何化学助剂就能使聚合物

11、表面的物理和化学性质发生改变。激光表面改性技术不仅能使高聚物纤维的染色效果有所提高，而且用于纺织品印花时也能得到更细致的图样。 3）环境的监测紫外激光已经成为目前激光质谱法最常用的激励光源之一。激光质谱法是把飞行时间质谱与共振增强多光子电离结合起来的一种方法。这种方法灵敏度高、选择性高、速度快并且能同时对很多组进行分析，是一种能对气态污染物检测的新方法，尤其适合用在实时动态监测。自然界中的很多物质在紫外光的照射下能发出可以反映出该物质本身特征的荧光，我们可以用荧光光谱来对污染物进行定量或者定性的分析，激光荧光光谱分析现已成为我们对环境污染进行监测的一种非常有效的手段。激光荧光遥感器已成为目前唯

12、一能探测海滩溢油和区分海草油污染的遥感器，更是目前唯一能探测冰、雪油污染非常有效的方法。4）半导体产业中的应用随着半导体工业的发展，半导体薄片技术也在不断的发展，为了能把生产效率提高，我们把半导体薄片加工技术使用在半导体产品中，这样能把几个甚至几千万个类似的半导体仪器集成到一块高纯度称作为“晶片”的衬底上，像这样一块小到几英寸的晶片上有时候能集成高达几千片的芯片，最后在封装前还又必须要把他们分开成为单个的电路单元。随着微电子器件迅速的发展，需要的晶片也越来越薄，则薄晶片的切割就成为我们迫切需要解决的问题。传统晶片的切割大部分都是用金刚石锯来切割，这样一来晶片就不能切割得太薄，有些晶片材料非常脆

13、弱，在切割的时候很容易破碎掉，同时也很容易对周围元件造成损伤，而且在切割的时候金刚石锯片也经常会受损。而采用紫外激光切割薄片的时候这些问题很容易就能得到解决，紫外激光切割拥有小的热影响区、切缝很窄、高效率、切边无机械加工应力等优点。5）相干激光检测的重要应用一般在相干激光检测中，为了能确定被检物体的宏观形状与标准试件的偏差，我们可以使用紫外激光器作为光源，并与全息技术、相干技术、剪应力记录技术等结合起来，则可精确的显示被检测物体的偏差程度。1.2.2 全固态紫外激光器的获得方式全固体紫外光的获得，目前主要有以下几种方式 1)绿光泵浦掺钛蓝宝石得到飞秒激光器，然后对其进行倍频得到紫外激光输出，但

14、是绿光泵浦蓝宝石飞秒激光器对泵浦源的要求很高，至少要求5W以上的绿光泵浦，这对绿光的获得本身就是一个高难度的挑战，因此价格非常昂贵，不适于产业化。2)直接二次倍频LD输出紫外激光，将LD输出的近红外激光通过二次倍频获得紫外激光，这种获得方式能够实现高的光-光转换效率。但通过LD直接二次频率变换获得紫外激光，不仅要求LD具有很好的单频性，而且紫外输出功率很低，使得不能满足大多数实际应用的要求。3)直接使用红外全固态激光器的三倍频或者四倍频技术得到紫外激光，或先用倍频技术获得二次谐波，然后利用和频技术获得紫外激光。前一种方法因有效非线性系数很小，所以频率转换效率很低；后一种方法由于是利用二次非线性

15、极化率，故频率转换效率要比前一种高很多。因此，本实验采用先用倍频技术得到二次谐波，再利用和频技术得到355nm紫外激光的方法。1.3 355nm紫外激光器的国内外研究现状1.3.1 国外研究现状近年来随着二极管泵浦功率稳步增加，可用一根二极管实现二极管激光器，通过端面泵浦和侧面泵浦更加容易实现二极管泵浦全固态激光器。当复重频率为6kHz时输出功率为8.8W的355nm紫外激光器，在1997年CLEO会议中被报道 ， 2001年，美国光谱物理公司的Hodgson等研究员实现了当重复频率为30kHz时最大功率为12w的355nm紫外激光器，它采用的是端面泵浦获得的，而日本三菱公司的Konno等研究

16、人员实现了当重复频率25kHz时最大功率为18W的355nm紫外激光器，它则是采用端面泵浦获得的。Chenlin DU等人在2002年获得了输出功率为1305uW的355nm连续紫外激光器。美国Coherent公司在1999年就研制出了当重复频率为15kHz时最大平均功率为1.5W型号为AVIA355.1500DPASS，在当时最适合微处理应用的355nm紫外激光器，美国光谱物理公司在2001年实现了，当重复频率为30kHz时最高功率为8W工业用的355nm紫外激光器。相干公司在2004年就生产出了当重复频率为40kHz时最大平均功率为10W的Av系列355nm紫外激光器，美国相干公司在200

17、8年推出了当重复频率为20kHz平均功率为2W和重复频率为60kHz平均功率为1W的两种新型Matrix 355nm紫外激光器系列。该系列激光器采用的是激光二极管泵浦，智能元件装配及焊接技术，且同时采用新型免维护的激光头，再加上独特的多通道谐波技术可实现好的热稳定性、长寿命、高光束质量、低噪声等紫外激光器。相干公司在2009年，采用的是LD泵浦双棒串接这一新型的双折射补偿技术，实现了当重复率为8kHz时，获得功率为160W的355nm紫外激光器。1.3.2 国内研究现状国内近几年也对激光二极管抽运全固态355nm紫外激光器展开了系列的研究，只是其输出功率很低，与国际水平还是有一定的差距，但也取

18、得了一些重大的进展。高兰兰等人在2003年采用LD端面泵浦C被动调Q实现了当抽运功率为600mW获得106pW的355nm紫外脉冲激光器。宋标等人在2007年设计了重复频率为lkHz电光调Q开关，当二极管注入电流为10A时实现了最大平均输出功率为15mW脉宽为20ns的355nm紫外激光器。山东理工大学的万云芳在2007年采用调Q开关侧面泵浦实现了当泵浦功率为152w重复频率为1kHz时，获得平均输出功率为1.62w的355nmTEMoo模紫外激光器。冯衍等研究人员在2002年实现了当调Q重复频率为4kHz时输出功率为3.4W的355nm紫外激光器，它采用KTPII类与LBOII类相位匹配倍频

19、与和频都在腔外进行的双棒串接热致双折射补偿腔结构。吕彦飞等人在2007年实现了最大功率为114mwTEMoo模的355nm紫外激光器，它采用的是一种复合腔结构。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的申高等人也在2007年实现了当泵浦功率为3W时，获得输出功率为4.2mw的355nm连续紫外激光器。清华大学的刘欢在2009年实现了当泵浦功率为6.76w重复频率为20kHz时输出最高功率为245mw的的355nm紫外激光器，其光-光转换效率为3.62%，它采用的是两块LBO晶体在腔内倍频与和频的腔结构。吉林工程技术师范学院的李玉文在2010年实现了当注入功率为25W调制频率为10kHz时，获得功

20、率为1.08w的355nm紫外激光器，它采用的是简单的平平腔结构。由上可知对于结构紧凑的连续中小型紫外激光器报道相对较少，本实验则优化设计了一个连续355nm紫外激光器。国内也有很多生产比较成熟的中小功率紫外激光器公司，例如能输出窄脉宽功率高达瓦级的准连续355nm紫外激光器的北京国科公司，能输出高峰值功率和高重复频率功率为毫瓦级的355nm脉冲激光器的四川九斗公司，另外还有武汉光谷和深圳大族等公司生产紫外激光器。虽然他们与国外的公司相比还存在很大差距，但我相信随着国内半导体工业和新型晶体材料以及激光行业的发展，国内激光器企业与世界发达国家的差距将会越来越小。1.4 本论文主要研究内容在本章中

21、对全固态激光器的发展现状、应用状况及355nm全固态紫外激光器国内外研究现状、泵浦方式作出了较全面地总结。国内在355nm全固态连续紫外激光器方面的研究还比较少，尤其是中小功率激光器的研究，主要是因为转换效率偏低、激光输出质量较差、激光输出稳定性较差等因素的影响。本论文主要围绕355nm全固态连续紫外激光器进行了理论计算、分析和实验研究，在晶体的切割和长度各项参数进行了优化计算，最终获得了稳定性较好、激光输出效率较高的355nm全固态连续紫外激光器。本论文主要有以下内容：（1）对各种和频、倍频晶体进行比较分析和数据优化来选择和频、倍频晶体。（2）在确定和频、倍频晶体后，运用非线性光学理论与技术

22、对去进行切割。（3）设计所选用晶体的晶体长度、掺杂浓度。2 355nm紫外激光器晶体的选择2.1 激光晶体的选择激光晶体是激光系统中必不可少的一部分，因此对激光材料的选择是很重要的。用于固体激光器增益介质活性离子，钕离子仍是有利激光特性并能掺于不同基质材料中。和激光器是目前最常用的两种固体激光器。掺钕的钇铝石榴石（）的参量非常有利于激光的产生，基质非常硬，热导率高光学质量好、化学性能稳定。一般可产生1064nm、946nm、1319nm多种波长，在正常工作情况下，激光器在室温时产生1064nm波长最强。掺钕的钒酸钇（）与激光器相比导热性差、机械性能也不好，但受激发射截面很大比的五倍还大，且对8

23、08nm波长具有很强的宽吸收带。是高功率激光器的理想工作物质，适合中小功率连续激光器。在小功率固体激光器中，Nd：YV04比Nd：YAG对热的效应更好，性价比高，反之Nd：YAG更好。在过去的十年里也是很常用的一种激光晶体，它在1053nm波长时的跃迁与其增益非常匹配。的荧光寿命为的2倍，长的荧光寿命也带来了较长的泵浦时间，所以在二极管的数量相同时，提供的存储能量是的2倍，本实验为小功率连续355nm紫外激光器故选择激光晶体。（1）晶体的物理化学特性单轴双折射晶体，激光能沿着特殊的偏振方向输出，偏振输出可以避免多余的热致双折射。当泵浦光偏振方向与激光的辐射方向相同时，晶体对泵浦光的吸收最强。而

24、且对于腔内倍频，振荡光的偏振特性非常有利于提高倍频转换效率，因此当要求高偏振激光器时通常把a轴切割成偏振，来实现高偏振非线性倍频转换效率激光输出。下表2-1为晶体一些基本参数。（2）晶体光谱特性和能级结构、等都是以掺离子作为激光增益介质激活离子，所以能级结构基本相同。的四条发射谱谱线分别为、 和 ，它们所对应的主要波长分别为1064nm、914nm、1342nm和1839nm，一般在室温下，1064nm谱线为这四条发射谱谱线中受激发射截面最大、增益特性最强的一条谱线，其次为1342nm谱线，最弱的为914nm和1839nm谱线。与激光介质的光谱结构基本上相同，图2-1为与的吸收谱谱线，其主要泵

25、浦吸收带分别在810nm 、750nm、和880nm附近，而810nm是吸收最强的，其对应的吸收光波长是808.7nm，在此波长处吸收带宽为21nm是吸收带宽10nm两倍还要多，而且此时与LD泵浦中心波长808nm相匹配，非常有利于提高能量的转化效率。表2-1 的材料性能化学式受激发射截面结构四方单轴晶体荧光寿命密度吸收系数（nm）莫氏硬度45近似玻璃(300K)折射率增益带宽（nm）0.96nm热膨胀系数(300K)偏振激光发射偏振平行于光轴图2-1 与的吸收谱谱线在半导体泵浦全固态激光器中，粒子数的反转是沿激光晶体纵向均匀分布的，因此我们都希望激光晶体尽可能长一些。但是泵浦光在激光晶体中是

26、呈指数衰减的，故会出现在晶体中某一点的增益小于损耗，可得出这一点得出激光晶体的最佳长度位置。故可根据经典光放大理论计算出激光晶体最佳长度为5mm。激光晶体采用a轴切割，掺杂浓度为0.5%。2.2 倍频晶体的选择非线性倍频晶体材料是实现激光非线性转换的前提与场所。紫外光波段大部分都处于非线性晶体达到相位匹配的边缘，它的有效非线性系数很小，转换效率很低。因此，要实现高转换效率、高功率输出运转的紫外激光器，倍频晶体的选择至关重要。在实际应用中非线性晶体应该具备的基本条件如下：1）大的有效非线性系数； 2）较宽透过率范围； 3）高的损伤阈值； 4）较稳定的物理及化学性能；5）适宜的双折射；6）大的接收

27、角度和接收带宽；7）生长工艺要相对简单，能够得到足够大的晶体尺寸，在相位匹配方向上能达到可用长度；8）性价比要高，既能达到高转化效率又可实现高质量激光输出，同时要求较低的价格。KDP、KTP和LBO是倍频转换最常用的非线性倍频晶体，KTP钛氧磷酸钾(KTiOP04)是综合性能最好，已成为腔外和腔内倍频激光器使用的首选，用其输出的绿光激光具有一系列的优异性能：非线性光学系数十分大(约为KDP的15倍)，比较宽接受角和小的走离角，电光系数也非常高，介电常数低，热导率高(BNN晶体2倍)，化学和机械稳定性好，硬度适中；高热传导率，不潮解，小的失配度，晶体表面易于抛光，在900摄氏度以下不分解等，价格

28、比BBO和LBO便宜，如表2-2所示，可以看出KTP的优势，本论文主要采用KTP作为倍频晶体，KTP晶体具有较高的倍频转换系数大约为KDP晶体的15倍，但对大功率激光器产生灰迹现象，适合中小功率运转且价格比LBO晶体便宜很多，故本实验选用KTP晶体作为倍频晶体，下面详细介绍下KTP晶体的特性。KTP的物理和光学特性KTP-钛氧磷酸钾()综合性能最好，有效非线性系数很大约为KDP的15倍、高电光系数、大的接受角和小的走离角、低介电常数、高热导率 、稳定的化学性能和好的机械性能、硬度适中；高的热传倒率、不易潮解、小失配度，晶体表面很容易抛光，温度在900摄氏度以下时不易分解等，且价格比LBO和BB

29、O便宜。它的这些优点已成为腔内和腔外倍频Nd离子激光器的首选，其物理和化学特性如下表2-3所示。KTP晶体的主要用途如下：（1）广泛应用于、激光晶体红外激光倍频，1064nm到532nm倍频转换效率最高可达到80；（2）可用于参量(OPG，OPA和OPO)600nm-4500nm可调谐输出激光；（3）用于半导体激光输出蓝光和混频掺钕离子激光；（4）用于电光装置光波导和非线性光学器件的制造；（5）用于制造光电开关，直接耦合，光电调制等光通信中经常使用的可调谐激光。表2-2 非线性材料的特性和相位匹配参量KDPKTPLBOBBOLiNbO3(0.5%MgO)相位匹配类型IIIIIII有效非线性系数

30、(10-12m/V)0.373.181.161.944.7损伤阈值(GW/cm2)0.50.52.51.50.1吸收(/cm-1)0.0050.010.0050.0050.002离散角0容限参量角度(mr-cm)2.2254.30.547温度(-cm)6.7253.6550.6光谱(nm-cm)0.660.560.750.660.23表2-3 KTP晶体的物理和化学特性化学式(钛氧磷酸钾)晶格结构正双轴晶体，正交点群晶包参数a=1.2818nm，b=0.6404nm，c=1.0589nm晶体密度3.01比热0.1737硬度56 (mohs)透过波段范围0.354.5热导率（）13光损伤阈值(1

31、064nm，10ns，10Hz)相位匹配输出范围492nm1700nm通光范围497nm1800nm线性吸收系数 1=1064nm or 532nm非线性光学系数，2.3 和频晶体的选择在通过倍频转换后剩余基频光与倍频光在三倍频晶体上进行和倍频转换产生355nm紫外激光时，如果倍频晶体与三倍频晶体选择的相位匹配类型不正确的话，则频率转换时将会造成偏振损失，转换效率下降。三倍频晶体是和频转换能实现的前提和场所。LBO、CLBO、BIBO 、BBO晶体是目前市场上适合于紫外光波段转换的非线性晶体。下面详细介绍下这几种非线性的特性。BBO晶体是由中科院福建物质与结构研究所首先研制出来的，它是负单轴晶

32、体，属于三方晶系3m点群，密度是，莫氏硬度为4，不容易潮解，透光范围在189nm3500nm之间；它从中红外到紫外范围内的非线性频率转换特性很好，具有高的损伤阈值、大的相位匹配角、大的温度容限、大的非线性系数，其不足是主要是小的容限角度，对与有效的倍频转换它必须要有衍射极限光束，对紫外的吸收很多，大的走离角和小的接受角使得它在和频转换过程中的基频光与倍频光从非线性和频晶体出来后很容易分开，转换效率很低。BBO晶体目前已广泛应用在和激光器二次及二次以上谐波的产生，它在可调谐染料激光器倍频与和频转换中有很广泛的应用。BBO晶体的色散方程为： （2-1） （2-2）LBO 晶体空间群Pna21，属正

33、交晶系点群，为负双轴晶体，密度2.47，Mohs 硬度6，略微潮解，透光范围155-3200nm。它是由中国科学院福建物质结构研究所研制的，具有宽的透光波段且紫外透光性好，有良好的物理化学性质，损伤阈值很高，非线性光学系数适中，接收角大。不足之处是有效非线性系数和倍频效率较低，折射率对温度敏感，需要注意控温。LBO晶体的色散方程为: (2-3) 主要用途：LBO 晶体现在已广泛应用于Nd:YAG 、Nd:YVO4 和 Nd:YLF 等激光器的二倍频、和频、差频的产生。BBO 晶体空间群R3c，属三方晶系3m 点群，为负单轴晶体，密度3.85，Mohs 硬度4，潮解较低，透光范围189-3500

34、 nm。由中国科学院福建物质结构研究所研制，有较大的相位匹配角、较高的损伤阂值，其缺点是角度容限小，对有效的倍频需要衍射极限光束，紫外吸收较多。色散方程 （2-4）主要用途：BBO 晶体已经广泛应用于N:dYAG 和 Nd:YLF 激光器的二次、三次、四次以及五次谐波的产生。在可调谐染料激光频率转换中应用很广，可用于染料激光的倍频、三倍频与和频。CLBO晶体是由日本大阪大学首先研制出来的，它是负单轴晶体，属于四方晶系点群，密度为，透光范围在180nm2750nm之间。它具有高的转换效率、大的非线性系数、大的接收角、高的损伤阈值、大的光谱带宽和温度宽度，双折射适中，小的离散角，它的尺寸能做得比较

35、大，极易产生高次谐波频率变换，是到目前为止最好的紫外激光器晶体，但是其主要缺点是价格很高且在室温下就很容易吸收空气中的水分而开裂色散方程： （2-5）主要用途：CLBO 晶体适用于Nd:YAG 激光器的二倍频、三倍频、四倍频甚至五倍频的频率变换，尤其适用于大功率全固态紫外激光器件。其害有望成为深微米光刻的新光源材料。BIBO是一种光学性能很好的新型非线性晶体，它的非线性光学系数很大约为BBO晶体的1.52倍，LBO晶体的3.44倍，且具有大的有效非线性系数、高的转换效率、高的损伤阈值和在空气中不容易潮解等光学特性在光参量振荡及蓝光激光器中有很广泛的应用，但因其走离角大、光斑质量很差在紫外激光器

36、应用受到了很大限制。LBO晶体是负双轴晶体属于正交晶系，晶体密度为，莫氏硬度为6，在空气中略微会有点潮解，透光范围为155nm3200nm。LBO晶体是由中科院福建物质与结构研究所首先研制出来的，透光波段较宽且紫外透光性能好，机械硬度高、化学性能稳定，高的损伤阈值，接收角大，适中的非线性光学系数。缺点就是有效非线性系数与倍频转换效率不高，温度的改变会影响折射率，需要温控装置。LBO晶体目前已经广泛的应用在 、和等激光器的倍频、差频与和频的频率转换。和频晶体的选择是找到大的非线性系数和大接收角之间的平衡并结合和小走离角。BBO的具有最高的有效非线性系数，但它具有小的接收角和大走离角使得转换效率很

37、低。CLBO有更好的转换参数，但具有高度的吸湿性，这使在激光制造中难以处理。目前，355nm固态激光器绝大多数使用的是和频晶体LBOII型匹配，因为比较大的接收角允许红外高斯光束聚焦直径到100微米甚至更小。此外，相对较小的走离角应用红外和绿光光束之间实现最大限度的光束覆盖达到走离补偿。CBO替代LBO将成为可行性，一但它的工艺制造成熟。 表2-4 用于1064nm和532nm和频紫外非线性晶体光学参数CeystalBBOCLBOLBOBIBOTransmission Range(nm)189-3500180-27516-260028-2500DamageThreshold(GW)10(1.3

38、ns)25（1ns）25（0.1ns）0.3（1ns）Phase Match TypeType- IType-11Type-IIType- IPhase Match Angle(deg)31.338.742.656.41.720.5220.5322.680.40.963.532.687.6717.4411.833.411620.213.473.41WalkOffAngle(mrad)72.137.149.3589.12Hygroscopic SusceptibilityLowHighHighLow在表2-4中晶体中，BBO晶体在非线性光学晶体中，它有着极宽透光范围，较大的相匹配角，较高抗光损伤

39、阈值、宽带的温度匹配以及优良的光学均匀性，但是走离角大、接受角太小，在和频过程中基频光与倍频光从倍频晶体出来后比较容易分离，因而走离角大非线性光学晶体将必然导致基频光与倍频光空间重合度下降，不易实现高的非线性光学频率转换效率。BIBO是一种新的性能非常优秀的非线性光学晶体，因具有大有效非线性系数、高损伤阈值很高转换效率，得到很好应用，主要用作蓝光及其光参量振荡，同样因走离角大对紫外应用受到限制。CLBO是一种性能优异的新型紫外倍频晶体，透光范围宽，光损伤阈值高，生长速度快，并具有较大的温度带宽、角度带宽和光谱宽带，是目前最好的紫外频率变换晶体，但性价比低。根据非线性晶体选择条件综合考虑本实验选

40、择LBO非线性晶体作为和频晶体。3 非线性晶体参数的选择3.1 非线性光学效应目前激光材料直接输出的波长几乎都局限在近红外区，比如大量应用的掺离子的YAG 激光器，只能输出1064 nm（或946 nm）。要获得紫外激光就必须采用非性光学频率变换技术。由Nd:YAG 的1064 nm 激光倍频后输出532 nm绿光，通过三倍频获得355 nm 或四倍频获得266 nm 激光。光与物质相互作用的过程可以看成两个分过程：光波场引起物质响应的过程和所产生的响应作为辐射源产生辐射的过程。光场强度较弱时，仅能引起物质的线性响应，而当光波强度可以与原子内的平均场强相比较时，就可以体现出物质对光场的非线性响

41、应，此时介质中的感应极化强度可表示为 (3-1)式中为一阶（线性）电极化率，是二阶张量，它导致折射和反射等线性光学现象；为二阶电极化率，是三阶张量，它产生倍频、和频、差频、光参量振荡、光学整流、线性电光效应和法拉第效应等非线性现象；为三阶电极化率，是四阶张量，是三次谐波产生、四波混频、双光子吸收、光束自聚焦、克尔效应以及受激拉曼散射和受激布里渊散射等非线性光学效应的直接原因。3.2 光波在非线性介质内传播的波动方程把激光辐射场视为遵守经典电动力学规律的电磁波，其运动规律由麦克斯韦方程组来描述： (3-2)相应的物质方程为： (3-3)对非磁性介质，由以上各式可得 (3-4)得到光波在非磁性介质

42、中传播时的波动方程： (3-5)3.3 三波相互作用的耦合波方程非线性极化引起光场之间能量的转移，使各种频率的光波不再是独立传播，而是发生能量的相互作用，彼此耦合。设三波相互作用中各个平面单色光波场的频率分别为，和，各个频率相应的二阶非线性极化强度表达式为： (3-6) (3-7) (3-8)当参与非线性过程的所有场的频率都低于电子吸收带时，介质与辐射场之间没有能量交换，即在介质是无损耗的情况下，非线性电极化率张量具有完全互易对称性，这些极化率都为实数且相等，把它们简记为，整理可以得到标量形式的三波相互作用的稳态耦合波方程： (3-9)式中从 k = ，称为相位失配因子。三波耦合波方程的物理意

43、义是由于非线性极化波的产生导致三个光波场之间的相互作用，每一个光波都不是孤立的，而是通过极化波与另外两个相互耦合，彼此之间存在着能量转移，但系统的总能量和总动量守恒，也就是要求： (3-10)这便是通常所说的相位匹配条件。3.4 二次谐波倍频效率令，此时，可以得到倍频光波的功率密度 (3-11)式中，为有效非线性系数。由上式可以写出二次谐波转换效率 (3-12)可以看出倍频转换效率强烈的依赖于相位失配程度k，对于共线光束，相位失配常用波数差来表示 (3-13)当k一定时，二次谐波输出功率随晶体长度的增加而呈现出周期性的增减，周期为kL / 2 = ，定义此距离的一半对应的长度为相干长度lc，在

44、垂直入射的情况下相干长度为 (3-14)在lc 长度内基频光的能量向倍频光转换，在第二个相干长度内，非线性相互作用的结果是把第一个相干长度内产生的倍频光反过来转换成基频光，随着晶体长度的增加，这种过程反复进行。用相干长度lc 表示二次谐波转换效率为 (3-15)在理想情况下lc= ，则二次谐波转换效率与非线性晶体长度的平方成正比 (3-16)对于可见光波段典型的色散值，大多数晶体的相干长度在10m左右，所以二次谐波输出功率很小，只有当 时才能获得较高的倍频输出功率和谐波转换效率。3.5 相位匹配原理在 1961 年Frnaken 利用红宝石激光器首次获得激光二次谐波辐射的实验中，倍频转换效率是

45、非常低的，大约只有10-11 数量级28。J. Giordmaine 和P. Marker等首先认识到了相位匹配对提高转换效率的重要性27，之后非线性相互作用的转换效率得到了大幅度的提高。从光量子观点出发，我们设参与相互作用的三个光波的圆频率分别为，和，波矢为 (3-17)式中 为波法线方向上的单位矢量， 是频率为的光波在介质中的折射率，i=1, 2, 3。由能量守恒条 (3-18)得在单一过程中，由动量守恒条件 (3-19)得动量的改变量 (3-20)此即为非线性光学中的相位匹配条件。如果这一条件不成立，那么不平衡的动量必然被介质吸收，导致介质的极化场不能有效地辐射光波，从而降低了相应的参量

46、过程的转换效率。如果参与相互作用的三个光波的波矢方向在同一条直线上，则称这种匹配方式为共线相位匹配；对于三个光波的波矢方向不在同一条直线上的相位匹配则称为非共线相位匹配。对共线情况，有 (3-21)即 (3-22)这就是三波共线相互作用的相位匹配条件。令=，由能量守恒条件得=，代入上式便可以得到倍频过程的相位匹配条件为 (3-23)在各向异性介质中，介质除具有色散的性质外，还具有双折射的特性，即对于同一频率的寻常光和非常光除在光轴方向具有相同的折射率外，在其他任何方向上传播时折射率都不相同，且折射率差随传播方向的不同而变化，这样通过选择合适的传播方向就有可能利用双折射来抵消由于色散引起的不同频

47、率光波的折射率的变化从而实现相位匹配。3.5.1 单轴晶体倍频相位匹配对于非线性光学晶体的倍频转换，多采用共线相位匹配。按基波的偏振状态可以把相位匹配分为平行相位匹配和正交相位匹配两类：平行类是指参与相互作用的两基频光波的偏振方向平行，这时基波取单一的线偏振光，倍频波为另一状态的线偏振光，通常称为类相位匹配；正交类是指参与相互作用的两基频光波的偏振方向正交，也就是说基波取两种偏振态，倍频波为单一偏振态，通常称为类相位匹配。1. 正单轴晶体类相位匹配示意图图 3-1 正单轴晶体类相位匹配偏振性质：基波为e 偏振光，倍频波为o偏振光，记为e+eo相位匹配条件： (3-24)匹配角： (3-25)2

48、. 正单轴晶体类相位匹配示意图： 图 3-2 正单轴晶体类相位匹配偏振性质：基波取o光和e 光两种偏振态，倍频波为e 偏振光，记为e+oo。相位匹配条件： (3-26)匹配角： (3-27)3. 负单轴晶体类相位匹配示意图图3-3负单轴晶体类相位匹配偏振性质：基波为o偏振光，倍频波为e 偏振光，记为o+oe相位匹配条件： (3-28)匹配角： (3-29)4. 负单轴晶体类相位匹配示意图：图3-4 负单轴晶体类相位匹配示意图偏振性质：基波取o光和e 光两种偏振态，倍频波为e 偏振光，记为e+oe相位匹配条件： （） (3-30)匹配角： (3-31)进行二次谐波频率变换时，参与相互作用的光束取

49、不同的偏振态，由于双折射效应，使得不同偏振态的基波与二次谐波的光线方向逐渐分离，从而造成转换效率的下降，这就是走离效应。对于负单轴晶体第类相位匹配的情况，如图 2-5所示，基波o(光)的光线方向与波法线方向一致，均沿OA 方向传播，而倍频光波(e 光)虽然其波矢也是沿OA方向，但其光线却是沿着的曲线在A 点处的法线方向传播，基频光波与倍频光波的光线方向存在一个夹角a，这个夹角就被称作走离角。根据单轴晶体双折射离散角公式 (3-32)和负单轴晶体中非常光波折射率ne 与入射角 之间的关系式 (3-33)以及相位匹配条件 (3-34)可以求得走离角a 的表达式 (3-35)由于走离效应的存在，基波

50、在晶体中沿传播方向感应的极化强度所辐射出的二次谐波始终偏离基波a 角，这样二次谐波的光斑就被“拉长”了，造成了二次谐波功率密度的降低，输出特性变差。另外有一部分基波在还没有到达规定的相互作用长度时就与二次谐波完全分开，导致转换效率的下降。 图3-5 走离效应示意图（负单轴晶体类相位匹配）利用双折射晶体在（满足相位匹配条件时波矢与光轴的夹角）的角度达到相位匹配，谐波功率和的关系很灵敏。当90时，角度调得稍微不准，与 稍有偏离，也会引起的变动，造成谐波功率急剧下降，这种相位匹配方式称为临界相位匹配。由于这种相位匹配方式是通过选择特定的光波传播方向来实现的，所以又称为角度相位匹配。当=90时，角度的

51、微小变化不会导致相位匹配条件的破坏，这样就可以克服对相位匹配角调整精度要求苛刻的缺点，而且由于此时非常光的光线方向也与波矢方向重合，因而也不存在基波与谐波空间分离的现象，这种对相位匹配角调整精度要求不高的相位匹配称为非临界相位匹配。一般利用各向异性晶体的 比 随温度变化快的特性，通过调节温度来实现=90的相位匹配，称为温度相位匹配。3.5.2 双轴晶体倍频相位匹配根据入射基频光波的偏振方向，双轴晶体的倍频相位匹配方法也分为类和类两种方式：若基频光波均为慢光，偏振方向相互平行，则称为类相位匹配；若基频光波既有快光又有慢光，偏振方向相互正交，则称为类相位匹配。双轴晶体的快光和慢光的折射率分别为折射

52、率面的内层和外层曲面，第类相位匹配曲线就是基波慢光和倍频波快光折射率曲面的空间交线，第类相位匹配曲线就是基波折射率曲面的内外层的平均曲面同倍频波快光折射率曲面的空间交线，如图3-6所示。图3-6 双轴晶体相位匹配示意图双轴晶体的折射率曲面是复杂的四次曲面，缺乏轴对称性，它们的相位匹配曲线是复杂的空间曲线，无法用一种简单的解析式来表示。双轴晶体的相位匹配方向也是根据基波和倍频波的折射率曲面的交点来确定的，它不仅与 有关，还与方位角 有关，约定晶体的三个主折射率，在波矢方向上基波和倍频波的折射率可根据下面的方程计算 (3-36)式中、 和n、 分别是基波和倍频波的主折射率，设上式解出的基频光波折射率的两个实根为和，且。设由上式解出的倍频光波