鈮酸鎵鑭晶體作為中紅外波段的非線性光學器件的應用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鈮酸鎵鑭晶體作為中紅外波段非線性光學器件的應用和基于鈮 酸鎵鑭晶體的中紅外波段非線性光學器件，屬于非線性晶體材料和激光技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 中紅外激光波段的研究一直是激光領(lǐng)域的研究熱點之一，由于3~5 μπι中紅外 激光是大氣的窗口波段，受氣體分子吸收和懸浮物散射的影響小，因此在光譜測量、遙感、 環(huán)保和軍事上具有很高的應用價值，而5~8 μm是環(huán)保領(lǐng)域用于痕量氣體監(jiān)測和分子光 譜應用、通訊領(lǐng)域用于信號發(fā)射與接收必不可少的波段，在現(xiàn)代通訊、環(huán)境保護、國家安全 等領(lǐng)域有重要需求。能產(chǎn)生中紅外波段的激光器主要有倍頻的CO 2氣體激光器、化學氟 化氘激光器、半導體量子級聯(lián)激光器、二極管激勵的固體激光器、固體激光器激勵的光參 量振蕩器、光參量放大器、差頻器件等。其中中紅外光參量振蕩器、光參量放大器、差頻器 件可實現(xiàn)寬調(diào)諧、大功率、窄線寬輸出及全固化、小型化，具有很重要的應用價值。隨著透 過范圍寬、吸收系數(shù)小、損傷閾值高、非線性系數(shù)適中、物化性能好的中紅外非線性晶體的 出現(xiàn)，將中紅外波段的非線性光學器件進一步推向了實用化?，F(xiàn)有的中紅外非線性晶體 主要有ZnGeP 2(ZGP)，可以實現(xiàn)3-5 μ m的高功率中紅外輸出，但是ZGP不能使用成熟的近 紅外栗浦，且ZGP晶體價格昂貴，增加了器件的成本；另一主要的中紅外非線性晶體還有 LiNbO 3(LN)，其透光譜區(qū)為0. 33-5. 5 μπι，但是由于LN損傷閾值較低，受栗浦功率水平的限 制，不易實現(xiàn)較高能量的輸出。鑒于此，亟需一種新型的中紅外非線性晶體，既具有廣的透 過光譜區(qū)，合適的抗光損傷閾值，同時具備易生長大尺寸、高光學質(zhì)量單晶、物理化學性能 穩(wěn)定等優(yōu)勢，可應用3~8 μπι寬范圍的高功率中紅外激光輸出。
[0003] 光參量放大（Optical Parametric Amplification, 0ΡΑ)過程，是指一束頻率為 ωρ(也稱激勵光）的強激光和一束頻率為cos(信號）的弱激光同時射入非線性介質(zhì)時，如 信號光（也稱振蕩光）被放大，同時產(chǎn)生頻率為V 1的閑置頻率光（閑頻光，ω ι= ω p-cos)， 即為所要獲得的OPA激光，這種現(xiàn)象稱為光參量放大。若將此非線性介質(zhì)置于輸入鏡吣和 輸出鏡M 2組成的諧振腔中，M，寸栗頻光透射，M i、112對信號光、閑頻光或兩者高反射，則在 頻率為ωρ的激光作用下，從M 2鏡將光參量振蕩輸出頻率為ω，ω啲激光；這就構(gòu)成 了光參量振蕩器（Optical Parametric Oscillator, 0Ρ0) 〇
[0004] 光參量振蕩器（簡稱0Ρ0)是目前產(chǎn)生中遠紅外激光的重要技術(shù)，它利用了非線性 晶體的混頻特性，同時可實現(xiàn)波長可調(diào)諧。具有調(diào)諧范圍寬、效率高、結(jié)構(gòu)簡單及工作可靠 等特點，可獲得寬帶寬、可調(diào)諧、高相干的輻射光源。隨著新型優(yōu)質(zhì)非線性光學晶體的發(fā)明 及應用，0Ρ0已發(fā)展成為可調(diào)諧激光的主流應用，展現(xiàn)出越來越重要的前景。
[0005] 差頻（Different Frequency Generation, DFG)過程是指將頻率較高的激勵光ωρ 和頻率較低的信號光cos入射到非線性晶體中，由于光與非線性晶體的二階非線性效應，產(chǎn) 生頻率COi= ω 差頻光。通常也被稱為頻率下轉(zhuǎn)換。
[0006] 鈮酸鎵鑭晶體（La3Ga5.5Nb Q.5014, LGN)是單軸晶，屬于三方晶系32點群，P321空 間群，其晶胞常數(shù)為a = 0.8232nm，c = 0.5128nm。由于LGN具有較高的壓電系數(shù)，其 在壓電性能方面的應用是為人們所熟知的，但是，LGN晶體材料無反演對稱心，具有二階 非線性光學特性和適中的非線性光學系數(shù)（d n= I. 8pm/V)，同時LGN晶體的透過范圍寬 (0. 3-7. 04 μπι)，有較大的雙折射，較高的抗光損傷閾值（> lGW/cm2)，化學穩(wěn)定性好，不潮 解，因此其在如光參量放大、光參量振蕩、差頻產(chǎn)生等二階非線性光學應用中有著重要的前 景。雖然LGN有以上諸多優(yōu)點，其在二階非線性光學中的應用一直未受重視，基于該非線性 晶體材料的非線性光學器件也未有所報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供鈮酸鎵鑭晶體作為中紅外波段非線性光學器件 的應用。本發(fā)明還提供一種基于鈮酸鎵鑭晶體的中紅外波段非線性光學器件。
[0008] 本發(fā)明使用鈮酸鎵鑭晶體（LGN)作為非線性光學晶體，得到中紅外波段非線性光 學器件。
[0009] 本發(fā)明還提供使用鈮酸鎵鑭晶體（LGN)作為非線性光學晶體制作的光參量放大 激光器、光參量振蕩激光器或差頻激光器。
[0010] 術(shù)語解釋：本發(fā)明中的"高反射"、"高透過"、"部分反射"具有本領(lǐng)域的公知含義。
[0011] "高反射"是指對特定波長或波段入射光的反射率大于99%。
[0012] "高透過"是指對特定波長或波段光的透過率大于80%。
[0013] "部分透過"指對特定波長或波段入射光的透過率在1 % -80%。
[0014] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0015] -種鈮酸鎵鑭晶體作為中紅外波段非線性光學器件的應用，所述非線性光學器 件中所用的非線性光學晶體為鈮酸鎵鑭晶體，分子式為La 3Ga5.5Nba5014，且晶體沿相位匹 配方向切割、通光面拋光并鍍膜或不鍍膜，利用鈮酸鎵鑭晶體二階非線性效應改變至少 一束入射光的頻率，產(chǎn)生至少一束另一特定頻率的激光，通過非線性光學頻率轉(zhuǎn)換實現(xiàn) 1. 6-7. 04 μ m中紅外波段激光輸出。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明鈮酸鎵鑭晶體作為中紅外波段非線性光學器件的應用，所述鈮酸鎵鑭 晶體在〇. 3-7. 04 μ m范圍內(nèi)保持透過。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明鈮酸鎵鑭晶體作為中紅外波段非線性光學器件的應用，所述鈮酸鎵鑭 晶體實現(xiàn)非線性光學頻率轉(zhuǎn)換的方式為一類相位匹配或二類相位匹配。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明鈮酸鎵鑭晶體作為中紅外波段非線性光學器件的應用，所述非線性光 學頻率轉(zhuǎn)換包括光參量放大、光參量振蕩或差頻等非線性光學過程。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明鈮酸鎵鑭晶體作為中紅外波段非線性光學器件的應用，包括以下方式 之一：
[0020] 方式一，鈮酸鎵鑭晶體作為光參量放大器件，所述鈮酸鎵鑭晶體的切割角度 51. 06-68. 3°，晶體通光方向長度為25-200mm，表面拋光，鍍膜或不鍍膜，所述鍍膜是對激 勵光、信號光及出射光高透的介質(zhì)膜。有第一激勵源的激勵光及第二激勵源的信號光入射 到銀酸鎵鑭晶體上，經(jīng)過銀酸鎵鑭晶體光參量放大后，出射一 2. 2-6. 84 μm的中紅外激光。 優(yōu)選的，產(chǎn)生3. 55 μm的中紅外激光輸出。
[0021] 另一優(yōu)選方案為，當?shù)谝患钤礊?. 064 μπι調(diào)Q激光器或鎖模激光器，第二激勵 源為I. 28-1. 38 μ m的可調(diào)諧信號光激光器，在調(diào)節(jié)信號光波長的同時通過改變晶體切割 角度從56. 56至62. 1°，可實現(xiàn)4. 64-5. 86 μ m的可調(diào)諧中紅外激光輸出。
[0022] 方式二，鈮酸鎵鑭晶體作為光參量振蕩器件，鈮酸鎵鑭晶體的切割角度為 51. 06-68. 3°，晶體通光方向長度為25-200mm，表面拋光，鍍膜或不鍍膜，若鍍膜，則鍍對激 勵光、信號光及出射光高透的介質(zhì)膜，該激光器件激勵源為1. 064 μπι調(diào)Q激光器或鎖模激 光器，產(chǎn)生2. 2-6. 84 μm的中紅外激光輸出。
[0023] 方式三，鈮酸鎵鑭晶體作為差頻器件，所述鈮酸鎵鑭晶體切割角度為 52. 98-67. 82°，晶體通光方向長度為25-200mm，表面拋光，鍍膜或不鍍膜，若鍍膜，則鍍對 激勵光、信號光及出射光高透的介質(zhì)膜，激勵源為〇. 8 μ m連續(xù)激光器、調(diào)Q激光器或鎖模激 光器，產(chǎn)生1.6-7. 04 μm的中紅外激光輸出。
[0024] 以上所述鈮酸鎵鑭晶體切割形狀為長方體或者圓柱體。晶體通光方向為長度方 向。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明，鈮酸鎵鑭晶體中紅外波段非線性光學器件，包括用鈮酸鎵鑭晶體按 照相位匹配方向切割而成。優(yōu)選的，所述鈮酸鎵鑭晶體中紅外波段非線性光學器件是：光參 量放大激光器件、光參