[激光原理与应用

目录

第1章 什么是激光倍频

1.1 什么是激光倍频

1.2 激光倍频的好处

第2章 激光倍频的基本原理

2.1 基本原理

2.2 倍频的条件

2.3 分类

第3章 倍频晶体

3.1 BBO，LBO晶体

3.2 CLBO（六硼酸铯锂）晶体

激光倍频是指激光经过倍频晶体（LBO、BBO）生成波长减小一半，频率加倍的激光，晶体对1064nm强光倍频后为532的绿光。

激光倍频就是利用：非线性晶体在强激光作用下的二次非线性效应，使频率为ω的激光通过晶体后变为频率为2ω的倍频光。

如将1.064微米的激光通过倍频晶体，变成0.532微米的绿光。将0.532微米的绿光通过倍频晶体，变成0.266微米的深紫外光。

倍频技术扩大了激光的波段，可获得更短波长、更高频率的激光。

激光的波长越短，频率越高，电磁波周期越短，电磁波的能量越高，激光的粒子性越强，穿透力越强，传送完整电磁波的周期越短，激光脉冲的最短时间越短。

脉冲越短，所需要的电磁波的周期越短，频率越高。

这就是为什么皮秒或飞秒激光器的电磁波的频率越高的原因。

用非线性材料产生倍频激光的器件称为倍频激光器。

一般把入射的激光称为基频光，由倍频激光器出来的激光称为倍频光或二次谐波。

根据非线性材料特性，我们一般采用角度相位匹配来得到二次谐波。

角度相位匹配是利用晶体的双折射来补偿正常色散而达到相位匹配的一种方法。

色散是复色光分解为单色光而形成光谱的现象。色散可以利用棱镜或光栅等作用为色散系统的仪器来实现。如复色光进入棱镜后，由于它对各种频率的光具有不同折射率，各种色光的传播方向有不同程度的偏折，因而在离开棱镜时就各自分散，形成光谱。例如太阳光通过三棱镜后，产生自红到紫循序排列的彩色连续光谱。复色光通过光栅或干涉仪时，由于光的衍射和干涉作用，也能使各种色光分散。

从广泛的意义上来说，色散不仅指光波分解成频谱（折射率随频率的变化而变化），而且任何物理量只要随频率(或波长)变化而变化，都称色散，例如旋光色散等。

使入射晶体的基频光和产生的倍频光具有不同的偏振态，而所用晶体应预先根据晶体光学的理论和有关的折射率数据，计算出切割晶体的方向，磨制成所需形状，使基频光和倍频光能满足相位匹配条件。

激光强度很高，因此会引起晶体材料原子极化，也就是正负电荷中心分离。这种分离是动态振动的，而且振动频率与激光的频率一致，振动幅度与激光场强度相关。因为激光电磁场强度与极化强度存在非线性。对于2阶非线性，也就是极化强度与激光的电场强度E的平方成比例。

原子极化是指分子或基团中的各原子核在外电场作用下彼此发生相对位移，分子中带正电荷重心向负极方向移动，负电荷重心向正极方向移动，两者的相对位置发生变化而引起分子变形，产生偶极矩，称为原子极化。原子极化伴随着微量的能量消耗，极化所需时间比电子极化稍长。

基频光电场强度是波动的，由三角函数可知，cosa*cosa=0.5*(cos2a+1)。也就是2阶非线性将产生倍频极化振动和0频极化偏置。这个倍频极化（正负电荷距离的振动）将产生倍频光，或者对经过的倍频激光起到增益的作用。这个转化或者增强倍频光，需要满足两个条件。

（1）基频光超前倍频光0.75π；（2）在晶体作用区域内，相位差空间保持不变。

这个需要材料对2种频率的折射率一致。

一般的材料都是随着光频的增大，折射率增大。

BBO类似这样的晶体在某个方向上可以满足折射率一致，折射率一致保证了在晶体内某个方向一定长度的空间耦合区域固定条件波形相差稳定。实际中存在一定的偏差，所以耦合长度是有限的，这个就是激光晶体的特征长度。

下图黑色是激光的基频光（1064nm），蓝色为基频光的平方，也是2倍频极化振动，红色为生成的2倍频光(532nm)，可见，生产成的2倍频的激光相位滞后于激励源（激励源的平方）相位。

倍频的条件是：晶体总可以找到一个方向，使频率f1的基频激光，转化成2*f1频率的倍频光，折射率能够相同(光子动量守恒)，这样晶体中就可以存在理想的增益特征长度。

能量能够持续地从f1的基频激光转换到2*f1的倍频光中。

按照入射基波的偏振态又可将角度匹配方式分为两类：

（1）一种是基波取单一的线偏振光(如o光)形式入射，而倍频波为另一状态的线偏振光(如e光)，这种情况通常称之为第I类相位匹配。这一倍频过程用一式子表示为“o + o→e”，因为两个基波的偏振方向是平行的，所以又称平行式位相匹配。

（2）另一种情况是基波同时取两种不同的线偏振光(o光e光)形式入射，即两者的偏振方向是相垂直的，而产生的倍频波为单一状态的线偏振光(如e光)，这种情况通常称为第Ⅱ类位相匹配，记作“e + o→e”。因为第Ⅱ类匹配方式，在非线性极化过程中，不是单纯由基波的o光(或e光)的分量乘积在起作用，而是o光和e光分量同时在起作用。

KTP, KDP，DKDP, ZGP, Lithium niobate, AgGaSe2, CdSe, AgGaS2, GaSe晶体

非线性光学晶体用于许多不同的非线性参数应用中。比如二次谐波产生，差频产生，光参量放大等。必须选择适当的晶体才能将其用于特定应用。

它应具有：在所需光谱范围内的透明度，足够的双折射以进行相位匹配，高非线性系数，高光学损伤阈值。

非线性晶体指有非线性光学效应的晶体，广义指在强光或外场作用下能产生非线性光学效应的晶体。通常将强光作用下产生的称为非线性光学晶体。立陶宛Optogama公司为基础研究、应用研究和工业应用提供不同的非线性晶体。

晶体生产技术有：Stepanov，Kyropoulos，CZ，温度梯度法，通量法。

目前能提供的晶体有以下9种：BBO，LBO，KTP, KDP，DKDP, ZGP, Lithium niobate, AgGaSe2, CdSe, AgGaS2, GaSe晶体。

KDP，DKDP晶体主要特点：

-优良的紫外线辐射传输

-高激光损伤阈值

-可根据要求提供定制晶体

KDP，DKDP晶体主要应用：

       -Nd掺杂激光器的倍频器、三倍频器和四倍频器

-Ti：蓝宝石，绿宝石，Nd掺杂激光器的调Q开关

KDP，DKDP晶体技术特性：

化学公式

KH2PO4 (KDP)

KD2PO4 (DKDP)

晶体结构

四边形，42m

四边形，42m

晶格参数

负单轴(NO>Ne)

负单轴(NO>Ne)

密度

2.332克/cm3

2.355克/cm3

Mohs硬度

2.5

2.5

透光范围

180 nm-1.5μm

200 nm-2μm

折射率@1，06μm

no=1.4938，ne = 1.4599

no=1.4931，ne = 1.4582

KDP Sellmeier方程@T=293 K(λinμm)

no2=2.259276+13.00522λ2/(λ)2-400)+0.01008956/(λ)2 - (77,26408)-1); ne2=2.132668+3.2279924λ2/(λ)2-400)+0.008637494/(λ)2 - (81.42631)2)

Sellmeier方程@T=293K(λinμm)

no2=2.240921+2.246956λ2/(λ)2 - (11.26591)2)+0.009676/(λ)2 - (0.124981)2); ne2=2.126019+0.784404λ2/(λ)2- (11.10871)2)+0.008578/(λ)2 - (0.109505)2)

铌酸锂晶体主要特点：

-透光率范围从420 nm到5200 nm

-高非线性电光和声光系数

-非吸湿性，机械和化学稳定性。

铌酸锂晶体主要应用：

-电光调制与Q开关

-1064 nm泵浦光参量振荡器

-周期极化铌酸锂准相位匹配器件）

铌酸锂晶体技术特性：

化学公式

LiNbO3

晶体结构

三角形，3m

光学对称性

负单轴(N)o>ne)

密度

4.64克/厘米3

Mohs硬度

5

透明度范围

4 2 nm-5.2μm

Sellmeier方程(λinμm)

no2=4.9048+0.11768/(λ)2-0.04750)-0.027169λ2;  ne2=4，5820+0，099169/(λ)2-0.04443)-0.021950λ2

折射率@1064 nm

no=2.220，ne = 2.146

ZGP晶体的主要特点：

-有效传输范围从2μm到12μm

-高非线性(D)36=下午75：00/V@96μm)

-相对较高的损伤阈值(>60 mW/cm2)

ZGP晶体的主要应用：

-用OPO和DFG技术产生中波、长波红外连续可调谐辐射

-CO2和CO激光基波波长的谐波产生

-太赫兹距离频率的产生

ZGP晶体的技术特性：

化学公式

ZnGeP2

晶体结构

四边形，42m

晶格参数

A=5.465 a，c=10.708

光学对称性

正单轴(N)e>no)

密度

4.162克/厘米3

Mohs硬度

5.5

透明度范围@“0”透过率水平

0.74-12μm

Sellmeier方程@0.54-12.9μm(λinμm)

no2=11.6413+0.69363/(λ)2 – 0.21967) + 1586.06/(λ)2 – 832.75);          ne2=12.1438+0.75255/(λ)2 – 0.21913) + 2061.68/ (λ)2 – 951.07)

折射率@10.5μm

no=3 0738，ne = 3,1137

导热系数@T=293 K

36(\x{e76f}c)-1K-1，35(⊥c)Wm-1K-1

激光损伤阈值

60兆瓦/厘米[email protected]μm，100 ns

BBO晶体主要特点：

-宽透光率范围从188 nm～5.2μm(合适的透明度@3μm-5.2μm，几十μm厚的晶体)

-在几乎整个透明范围内各种二阶非线性相互作用的宽相位匹配范围

-宽热接收带宽

-所有紫外非线性晶体中的最高非线性

-高激光损伤阈值

-超薄晶体可用于超快(ne)

密度

3，85克/厘米3

Mohs硬度

4 - 4,5

透光范围

188 nm-5.2um，对于薄晶体，合理范围为3~5.2μm(极少数10μm)。

色散方程@188 nm-5.2m(λ(M))

no2=1+0.90291λ2/(λ)2-0，003926)+0.83155λ2/(λ)2-0，018786)+0.76536λ2/(λ)2 – 60.01);

折射率@1064 nm

no=1.6551；ne = 1.5426

LBO晶体主要特点：

-宽透光率范围从155 nm到3200 nm。

-无光致变色损伤(灰色跟踪)

-常见非线性晶体中的最高损伤阈值

-室温下的偏离角小，非关键相位匹配（NCPM）时没有偏离角

-温度可调的I型和II型非临界相位匹配

-可根据要求提供超抛光和定制晶体。

LBO晶体主要应用：

  -和频产生532 nm和1064 nm以产生355 nm UV辐射

  -Nd掺杂激光器的二次谐波激发的NIR范围内的可调谐OPO

  -在1064 nm处有效产生二次谐波而无偏离效应（NCPM，T = 149˚C）

LBO晶体技术特性：

单晶

LiB3O5

晶体结构

斜方晶，mm2

晶格参数

a = 8.46Å，b = 7.38Å，c = 12.717Å

光学对称性

负双轴(2 Vz=109.2°@0.5321μm)

密度

2.474克/厘米3

Mohs硬度

6-7

透光率范围

155 nm-3.2μm@“0”透过率水平

Sellmeier方程@T=293 K(λinμm)

nX2=2，4542+0.01125/(λ)2-0.01135)-0.01388λ2;

折射率@1064 nm

nX=1 5656；nY=1 5905；nZ = 1,6055

KTP晶体的主要特点：

-高度非线性

-非吸湿

-机械稳定性

-宽透光率范围从350 nm到4，5μm

-宽角度和热接收度

-宽的I型和II型非临界相位匹配范围

KTP晶体的主要应用：

-掺钕激光器的中、低功率倍频

-用于中红外产生的KTP OPO和ZGP OPO串列

KTP晶体的技术特性：

化学公式

KTiOPO4

晶体结构

正交的，mm2

晶格参数

A=12.814，b=6.404，c=10.616

光学对称性

正双轴(2VZ=37，4°@0，5461μm)

密度

2，945克/立方米

Mohs硬度

5

透明度范围

350 nm-4.5μm@“0”透过率水平

色散方程@188 nm-5.2m(λ(M))

nX2=3.0067+0.0395/(λ)2-0.04251)-0.01247λ2;

折射率@1064 nm

nX=1.7404；nY=1.7479；nZ = 1.8296

硒酸银晶体主要特点：

-优良的传输范围从0.73到18μm

-低光吸收和低散射

-高FOM（品质因数），用于NIR和MIR中的非线性相互作用

AgGaSe 2晶体主要应用：

       - 4.0~18.3μm红外区的频率混合

-CO2激光器的二次谐波产生与上转换

-效率达到10%的固体激光器的可调谐OPO

AgGaSe 2晶体技术特性：

化学公式

AgGaSe2

晶体结构

四边形，42m

晶格参数

A=5.9920，c=10.8803

光学对称性

负单轴(NO>Ne，λNO)

密度

5.7克/厘米3

Mohs硬度

3-3.5

透明度范围@“0”透过率水平

0.71-19μm

Sellmeier方程@T=293 K(λinμm)

no2=6.8507+0.4297/(λ)2-0.1584)-0.00125λ2; ne2=6.6792+0.4598/(λ)2-0.2122)-0.00126λ2

折射率@10.5μm

no=2.5917，ne = 2.5585

导热系数@T=293 K

1 (||c) Wm-1K-1, 1,1 (⊥c) Wm-1K-1

激光损伤阈值

>10兆瓦/[email protected]μm，150 ns

硫镓银晶体主要特点：

-传输范围为0.5到12μm的唯一非线性特性

-低光吸收和低散射

-短波长透光。

AgGaS2晶体主要应用：

-4.0~18.3μm中红外区的频率混合

-CO的二次谐波产生与上转换2雷射

-固体激光器的可调谐OPO

AgGaS2晶体技术特性：

化学公式

AgGaS2

晶体结构

四边形，42m

晶格参数

A=5.742，c=10.26

光学对称性

负单轴(N)o>ne，λno)

密度

4.58克/厘米3

Mohs硬度

3-3.5

透明度范围@“0”透过率水平

0.47-13μm

Sellmeier方程@0，54-12，9μm(λinμm)

no2=5.79419+0.23114/(λ)2 – 0.06882) – 2.4534×10-3 λ2 + 3.1814×10-7 λ4 – 9.7051×10-9 λ6;

ne2=5.54120+0.22041/(λ)2 – 0.09824) – 2.5240×10-3 λ2 + 3.6214×10-7 λ4 – 8.3605×10-9 λ6

折射率@10.6321μm

no=2.3471，ne = 2.2914

导热系数@T=293 K

1.4(\x{e76f}c)-1K-1，1.5(⊥c)Wm-1K-1

CdSe晶体的主要特点：

-宽透光度范围(0.7-24μm)

-很大的非线性(d31 = 18 pm/V)

-小离场角

硒化镉晶体的主要应用：

- DFG，OPO方案产生的长红外波长红外辐射

-红外光学元件的材料：基板，偏振片，波片等。

硒化镉晶体的技术特性：

化学公式

CdSe

晶体结构

六角，6毫米

晶格参数

A=4.2985，c=7.0150

光学对称性

正单轴(N)e>no)

密度@288 K

5.81克/厘米3

Mohs硬度

3.25

透明度范围@“0”透过率水平

0.7-24μm

Sellmeier方程@T=293 K(λinμm)

no2=4.2243+1.7680λ2/(λ)2-0.2270)+3.1200λ2/ (λ)2 - 3380); ne2=4.2009+1.8875λ2/(λ)2-0.2171)+3.6461λ2/ (λ)2 - 3629)

折射率@10，0μm

no=2.431，ne = 2.452

导热系数@T=293 K

6.9(\x{e76f}c)-1K-1.6，2(⊥c)Wm-1K-1

激光损伤阈值

60兆瓦/厘米[email protected]μm，200 ns

(1) 概述

非线性CLBO晶体是一种高吸湿性NLO晶体材料，通常用于深紫外激光应用，可倍频得到266nm激光。因此，标准CLBO晶体在运输途中是需要真空包装的，并且使用前在干燥器中保持不开封。

CLBO（六硼酸铯锂,CsLiB6O10) 具有优异的紫外非线性特性，特别是能够对Nd:YAG激光器输出的1064nm激光进行四倍频和五倍频。

CLBO晶体有高损伤阈值、较小的走离角、较大的可接受角度以及较大的光谱带宽和温度带宽。

CLBO（CsLiB6O10）晶体是一种非线性晶体，非常适合在紫外范围内产生谐波(例如193nm和266nm)，透射截止范围达到180nm。

与普通BBO非线性光学材料相比，CLBO晶体具有更大的光谱和温度带宽、更好的角度公差和更小的离散角。CLBO是倍频（SHG）的不错选择，适用于大功率Nd:YAG激光系统的四倍（FHG）。

由于没有通常在BBO晶体和KDP晶体中观察到的双光子吸收的缺失，CLBO对于高功率产生没有饱和。

（2）CLBO晶体的优势：

-短波截止波长可达180nm；

-对Nd:YAG激光器的四倍频、五倍频转换效率大；

-高非线性系数（约为KDP的两倍）；

-接收角度大，离散角小；

-可通过相位匹配获得193nm的真空紫外光输出；

-生长周期短，可生长大尺寸晶体。

（3）非线性CLBO晶体的应用：

用于大功率、紫外、固体激光器。

-倍频产生266nm激光

-微处理

-半导体光刻，半导体检测

-生物医学

-UV-LIDAR

（4）CLBO晶体存储和处理

CLBO具有很高的吸湿性。因此，强烈建议严格控制操作环境的湿度，防止CLBO晶体与水反应降解。

通过将操作温度升高至约150摄氏度，可以有效避免该问题。

为了适应CLBO晶体的吸湿性，晶体在是真空包装的。

建议CLBO晶体包装在使用前在干燥器中保持不开封。

一旦打开，请将CLBO晶体存储在单独的烤箱或类似的环境中。

（5）紫外非线性晶体CLBO的规格参数

切割角度：f=45度，q=61.7度；尺寸：5x5x10mm，两个表面：光学抛光。