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激光倍频晶体的研究现状分析
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:
Fiberlaseristhefocusofattentionofthepeopleinrecentyears.SHGalsowillbedeveloped.Basedontheanalysisofthescientificresearchinstitutionsathomeandabroadonthefrequencyfiberlaserexperiment,thepaperpointedoutthatvariouscommonlyusedSHGadvantagesandshortcomings,givenguidanceandreferenceforthefutureuseofSHGexperiment.
Keywords:
Frequency（SHG）;Fiberlaser;Phase-matching
摘要Ⅰ
ABSTRACTⅡ
引言1
1实验研究仪器1
1.1光纤激光器及其结构1
1.2光纤激光器的倍频2
2倍频晶体的现状分析2
2.1倍频晶体2
2.2PPLN晶体倍频输出绿光3
2.3PPLN晶体倍频输出可见光4
2.4PPKTP晶体倍频应用5
2.5PPLT晶体的倍频应用6
3结果与讨论7
4前景与展望9
4.1实验成果的应用9
4.2理论研究的应用10
参考文献12
引言
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（10x10x20mm）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：
（1）NMLN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：
（1）NYAB的吸收带宽比Nd:
YAG的吸收带宽（在808.5nm处0.5nm）宽得多；
（2）NYAB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。
1实验研究仪器
1.1光纤激光器及其结构
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]。
图1-1单膜光纤激光器的结构示意图
1.2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]。
2倍频晶体的现状分析
2.1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、LiIO3、LiNbO3、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（LiNbO3）、钽酸锂晶体（LiTaO3）、铌酸钾晶体（KNbO3）、磷酸氧钛钾（KTiOPO3），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0.4μm～5μm，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。
2.2PPLN晶体倍频输出绿光
利用周期性极化晶体PPLN和双包层光纤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6.5μm，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PPLN的控制温度为193.1℃时，抽运功率为650mW时，得到6.7%的最高谐波转换效率；在抽运功率为970mW时，可以得到59mW的最高绿光功率输出。
实验流程如图2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
、f
、f
和f
为透镜。
如果将抽运源选为宽带多纵模输出的种子注入掺Yb双包层光纤脉冲放大器，继续利用PPLN倍频晶体进行倍频实验，实验流程图如图2-1所示。
实验发现宽带多纵模的光纤激光将会影响谐波的转换效率，要获得高的转换效率需要单模窄带宽频率稳定性好的光纤激光。
此外，没有镀膜的晶体端面不仅影响谐波能量的透过率，而且会形成参数振荡，导致谐波频率下转换，影响谐波的输出功率，所以在实验中采用了镀有增透膜的周期性极化晶体，避免了这种现象的出现。
图2-1PPLN晶体实验流程图
2.3PPLN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20.2μm，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，①为主振荡器；②为前置放大器；③为功率放大器；④为倍频器；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；LMAEDF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。
2.4PPKTP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功地获得了体积为4mm×6mm×1mm，周期为A＝9.0μm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2-2PPKTP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PPKTP[5]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AlexDrobshoff的实验流程如图2-3所示。
图2-3美国劳伦斯实验室AlexDrobshoff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新波长的激光。
2.5PPLT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40mm×3mm×0.5mm，端面没有镀膜。
PPLT极化周期为7.67μm，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
3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
时间
科研机构
抽运源
基频光波长/nm
倍频晶体
抽运功
率/W
输出功
率/mW
倍频光
波长/nm
光－光转换效率/%
备注
2002
英国南安普顿大学
掺Er光纤放大激光
1614
PPLN
－
60
807
44
-
2004.7
上海光机所
Nd:
YVO4
激光
1
064
PPLN
0.97
59
532
6.7
-
2004.7
天津大学
光纤激光
1064
PPKT
－
－
532
0.32
－
2005.1
美国劳伦
斯实验室
单频二极
管激光器
938
PPLT
5
466
469
11
-
2006.1
上海光机
所
掺Yb双包
层光纤放大
激光
1064
PPLT
2.2
－
532
倍
频效率
1.8%
抗光伤比
PPLN强
表3-2倍频晶体的性能参量
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400W/cm
PPLN
大
低
难实现
一般
PPKTP
大
高
容易
非常高
PPLT
小
较高
容易
高
抗光伤比PPLN强
LBO
较大
很高
容易
高
BBO
较大
很高
可实现
高
抗光伤高达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，破坏阈值也较高，所以通常人们选用KTP晶体进行Ⅱ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。
4前景与展望
4.1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.Piper[6]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20~50ns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激光的平均功率为1.5W；电流为25A时，输出功率可达2.62W。
在此基础上，可以用LBO作为倍频晶体，将1155nm的红外光倍频转变为577nm黄色激光。
到目前为止，黄色激光的获得有其特别的意义。
因为人类的血液在980nm附近有一强的吸收峰。
利用这一波段的激光与人的血液的作用可用于诊断和治疗，在医学上有很大的应用前景。
目前，以LD泵浦调Q激光器为光源，以LiIO3为Raman位移介质，以LBO为倍频晶体的全固态Raman位移激光器结构复杂，体积大，效率较低。
如果以LD泵浦Yb:
YAB实现自倍频激光运转，再通过适当光路，直接以LiIO3作为Raman活性介质，直接产生580nm波长附近的黄色激光，则可大大的简化激光器的光路，从而减小体积，提高效率。
这方面的工作正在计划进行。
此外，微片（Micro-chip）激光器的发展和应用也引人注目。
采用Yb:
YAB为激光工作物质和倍频材料，同样可以发展新型的单频Yb:
YAB微片激光器。
其基本理论计算及腔型设计已经完成，初步实验与理论计算符合很好。
微片激光器可以进一步提高效率、减小体积、降低成本，并且准确为单频率，从而可以作为标准频率被采用。
当然,所有的应用都与晶体生长及晶体质量有关。
当前，晶体生长及完整性的关系等研究也在进一步深入。
相信在近期内，Yb:
YAB晶体研究及应用将取得更大的进步。
参考文献
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