浅谈LBO晶体与非线性固体激光器的发展前景

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摘 要：非线性固体激光器是当前光学科学领域中讨论和研究的热点，非线性光学频率变换技术，可以把激光的频率扩展和变换。通过频率转换器件可以得到不同频率的高功率激光，波长范围可从红外到紫外。本文主要对LBO晶体的性质及非线性固体激光器应用发展情况作研讨。本文阐述了LBO晶体的主要性质、倍频、相位匹配以及非线性固体激光器的发展前景和趋势。 关键词：非线性固体激光器；LBO晶体；倍频。

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Abstract: Nonlinear solid laser is the current optical sciences in the discussion and the research hot spot. Nonlinear optical frequency conversion technology, can make the laser frequency extension and transformation. Through frequency conversion device can get various frequency high power laser, wavelength ranges from infrared to the ultraviolet. This paper mainly on the LBO crystal properties and nonlinear solid laser application development case study. This paper expounds the main properties of LBO crystal, frequency, phase matching and nonlinear solid laser development prospect and tendency.

Key word: Nonlinear solid laser; LBO crystal; Frequency doubling.

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目 录

摘要 ................................................................................................................... I ABSTRACT ..................................................................................................... II 第一章 引言 ................................................................................................... 1 第二章 LBO晶体的研究背景与意义 ......................................................... 1 第三章 LBO晶体的介绍 ............................................................................. 1 3.1 LBO晶体的基本性质 ........................................................................... 1 3.2 LBO晶体的相位匹配性质 ................................................................... 3 3.3 LBO晶体的损伤阈值和倍频转换效率 ............................................... 3 3.4 LBO晶体的主要用途 ........................................................................... 4 第四章 非线性固体激光器的发展趋势 ...................................................... 5 4.1 非线性固体激光器的发展历程 ........................................................... 5 4.2 非线性固体激光器的应用 ................................................................... 5 4.3 非线性光学晶体的发展趋向 ............................................................... 6 第五章 结束语............................................................................................... 6 参考文献 ........................................................................................................... 7

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第一章 引言

随着世界光电领域科学研究的不断突破，“光电时代”的到来日益临近。非线性光学材料的研究和产业化成为当今的主题，竞争日趋激烈。在我国高技术研究发展计划项目中，也把光电子信息材料研制和产业化放在重要地位。中国科学院福建物质结构研究所研制成功的三硼酸锂（简称LBO），标志着我国在无机非线性光学材料方面处于世界领先的地位，引起了国内外科技界和光电子工业界的瞩目，为激光的发展和推动我国光电子技术的产业化作出了巨大贡献[1]。

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第二章 LBO晶体的研究背景与意义

三硼酸锂（LiB3O5，LBO）晶体是一种性能良好的非线性光学晶体 [2]。对于LBO晶体的电子结构和光学性质，在过去的30年里我们进行了大量研究。徐永年等人运用第一性原理计算出了电子结构和线性光学的性质；李荣等人采用DV-SCM-Xa方法对价带态密度进行了研究；林哲帅等通过第一性原理计算出了线性和非线性光学系数，并通过原子切断方法分析了不同原子对非线性效应的贡献[3]。

LiB3O5（LBO）晶体是我国陈创天研究组继β—BaB2O4（BBO）晶体之后发现的又一个著名的“中国牌”非线性光学晶体。它具备较大的非线性光学系数，具有很多优点，例如其透过波段宽、接收角宽、离散角小、激光损伤阈值高、机械和化学性能良好（不易潮解，硬度适中）等。其最大的优点是具有较高的激光损伤阈值并可以实现90°非临界相位匹配，可以得到较高的频率转换效率，并具备良好的输出稳定特性以及光速质量。因此，在近红外、可见光和紫外波段高功率脉冲激光的倍频、和频、参量震荡和放大器件以及腔内倍频器件等领域中具有广泛的应用前景[4]。

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第三章 LBO晶体的介绍

3.1 LBO晶体的基本性质

LBO晶体是一种非线性光学晶体，其性能极佳，是由中国科学院物质结构研究所研究发明。该专利在1999年已获国家知识产权局和世界知识产权组织颁发的中国发明专利金奖。LBO晶体是一种斜方晶体，其点群为mm2，由连续的网状B3O7分子群构成，在分子间隙中存在大量的锂离子，这些B3O7基团互相联结，沿C轴方向形成螺旋结构体，每个螺旋结构体又经过硼氧桥键相互连接，组成了整个晶体。B3O7基团的这种紧凑的结构使得LBO晶体的抗激光损伤能力得到了很大提高，在常用无机非线性光学晶体中是最高的。表3-1是LBO晶体的一些物理和化学特性。

表3-1 LBO的物理性质和化学性质

晶体结构 晶格参数 熔点

莫氏（Mohs）硬度

密度 热膨胀系数 吸收系数

LBO属负双轴晶体，主轴X，Y，Z（nz> ny >nx）分别与结晶轴a，c，b平行。

空间群Pna21，点群mm2，正交晶系 a=8.4473A，b=7.3788A，c=5.1395A，Z=2

约834℃

6 2.47g/cm3

aX=10.8×10-5/K，aY=－8.8×10-5/K，

aZ=3.4×10-5/K ＜0.1%/cm at 1064nm

表3-2列出了LBO晶体在不同波长下的主轴折射率。折射率与波长的函数关系可用塞米尔（Selleimer）方程式表示如下（?:?m）：

2nx?2.454140?0.011249?0.014591?2?6.60?10?5?4 (3-1) 2??0.011350

2ny?2.539070?0.0127112?44?0.018540??2.00?10? (3-2) 2??0.0125233

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2nz?2.586179?0.013099?0.017968?2?2.26?10?4?4 (3-3) 2??0.011893

表3-2 LBO晶体在一些波长下的主折射率

波长（nm）

1064 532 355

nX 1.5656 1.5785 1.5973

nY 1.5905 1.6065 1.6286

nZ 1.6055 1.6212 1.6444

3.2 LBO晶体的相位匹配性质

LBO晶体对Nd:YAG激光的SHG过程的相位匹配性质见表3-3所列。

表3-3LBO晶体的相位匹配性质

I型相位匹配

相位匹配角（?） 10.7°（xy平面对a轴） 接收角 ???9mrad.cm

???57mrad.cm

离散角 0.43° 温度带宽 9℃.cm

II型相位匹配

19.7°（yz平面，对b轴）

???24mrad.cm

???82mrad.cm

0.22°

对于Nd：YAG激光的二次谐波发生（SHG）和三次谐波发生（THG），利用大的接受角和小的离散角的相互作用，可实现I型和II型相位匹配。LBO晶体的有效SHG系数为KDP晶体的3倍，晶体沿着a轴，在相位匹配温度Tpm=112℃时`，可实现非临界相位匹配。

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3.3 LBO晶体的损伤阈值和倍频转换效率

LBO晶体具有较高的激光损伤阈值，表3-4列出了LBO晶体与其他非线性光学晶体的阈值相比情况：

表3-4 1053nm光损伤阈值晶体能量密度（J/cm2）及功率密度（GW/cm2）比率

晶体 KTP KDP BBO LBO 能量密度（J/cm2）

6.0 10.9 12.9 24.6 功率密度

4.6 8.4 9.9 18.9 比值 1 1.83 2.15 4.10 测试条件：??1.053?m，脉宽=1.3ns。

倍频转换效率（?）：用锁模Nd:YAG激光器可测定LBO晶体对1.064?m脉冲激光的倍频转换效率，所用样品的通光长度L=11mm，样品的两个通光面都抛光，但没有镀膜，在功率密度为350MW/cm2的条件下，所得到的倍频转换效率（?）可以达到60%。

3.4 LBO晶体的主要用途

由于LBO晶体具有较宽的透光波段，较高的光学均匀性，较大的有效SHG系数和角度带宽，以及较小的离散角，较高的激光损伤阈值和良好的物化性质等，因此，它被广泛的应用在高平均功率的SHG，FOHG，THG和其他和频、差频等领域。同时，LBO晶体在参量震荡、参量放大、光波导和电光效应等方面也具有广泛的应用前景[5]。

LBO晶体在二倍频方面的应用有: 1.医用与工业用途的Nd：YAG激光

2.科研与军事用途的高功率Nd：YAG与Nd：YLF激光 3.Nd：YVO4，Nd：YAG和Nd：YLF激光的泵浦

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4.红宝石，Ti：Sappire与Cr：LiSAF激光 LBO晶体在三倍频方面的应用有: 1. Nd:YAG与Nd:YLF激光

2. 光学参量放大器（OPA)与光学参量振荡器（OPO) 3. 高功率1340nm的Nd:YAP激光的二，三倍频

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第四章 非线性固体激光器的发展及应用

4.1 非线性固体激光器的发展历程

60年代初，红宝石（1960年）、钕玻璃（1961年）和Nd：YAG（1964年）激光器在这段时期相聚研制成功。固体激光元器件和参量振荡、放大、调Q、选模和锁模等技术和应用都得到了迅速发展。

70年代中期，气体激光器和染料激光器的发展较为迅速，相比之下，固体激光器的发展过程显得较为缓慢。但是这一时期在新固体激光材料的开发、单元技术研究和应用开拓等方面，仍然取得了不少有意义的成果。

到了80年代初，固体激光器进入了一个新的发展时期，这段时期被人们称作固体激光器的“复苏”。应用广泛的激光器主要有高功率固体激光器、可调谐固体激光器和高效率固体激光器，特别是二极管泵浦固体激光器使用的最为广泛，发展较为迅速，成为这一时期的主要标志。

进入90年代后，固体激光器仍然保持了持续发展的状态，并不断的开创其重要的应用领域。其中，最为引人注目的是以高功率固体激光器和二极管泵浦固体激光器及其应用研发的新进展。被称作具有“里程碑”意义的事件之一是美国劳伦兹—利弗莫尔国家实验室在1992年研发成功的千瓦级高功率二极管泵浦Nd：YAG激光仪，其体积只有葡萄柚一样大。另外一个事件是在1994年美国能源开发部宣布批准实施的“国家点火设施”（National Ignition Facility，简称NIF）计划，并且在劳伦兹—利弗莫尔国家实验室建成的单束元装置（Beamlet）上对NIF将使用的关键技术和元器件性能进行了全面考核。在21世纪初期建成的NIF是一个集多种当代先进固体激光技术的巨型高能量（1.8MJ）、高功率（500TW）、192束的闪光灯泵浦钕玻璃固体激光装置，它将用于核聚变反应，实现点火。

迄今为止，固体激光工作物质大概有数百种之多已经实现了激光振荡的固体激光工作物质，激光谱线在上千条左右。固体激光器的特点包括输出能量较大、峰值功率较高、器件结构紧凑、方便光纤耦合、优于CO2气体激光器波长 [6]。

4.2 非线性固体激光器的应用

利用光波倍频和混频的现象，我们可以利用现有技术上比较成熟、输出功率较高的一些激光器，制造出我们所需要的各种波长的相干光[10]。例如，将光波作三次

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倍频，得到波长为35×10-8米左右的紫色光。同理，光波混频现象也是我们得到远红外波段相干辐射的好办法。利用二氧化碳分子激光器输出束波长为9.6微米和10.6微米的激光，在n型锑化铟晶体中进行混频，就可以得到波长范围在100微米左右的远红外相干光波，而由二氧化碳分子激光器在10.6微米附近的几个激光波长的基波在砷化镓半导体材料中进行光波混频，就可以得到波长与微波波段相临近的光波了。

当用波长可调的染料激光器作倍频和混频的光源[11]时，还有可能让我们得到波长从真空到紫外，一直到远红外，甚至功率更高的相干光束。非线性光学材料应用的领域除上述用混频技术进行频率转换、倍频以外，还有光束畸变消除、光转向阀值检测与光受限等领域。还有非线性光学晶体材料应用到蓝绿光激光器，就可以用与进行铀同位素进行分离，可以引发核聚变。由于其具有相当重要的战略意义，很多高敏非线性光学材料已被美国国务院列为重要军事物资，出口转出口都必须经过美国政府的批准。目前世界各国纷纷把非线性光学材料的研究方向列为高科技和优先发展项目，给予了高度重视。

4.3 非线性固体激光器的发展趋势

非线性固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。它常用于跟踪、测距、打孔、制导、焊接和切割、电子器件微加工、半导体材料退火、大气检测、等离子体诊断、光谱研究、外科和眼科手术、脉冲全息照相以及激光核聚变等方面。非线性固体激光器还可用于可调谐染料激光器的激励源[7-9]。

非线性固体激光器的发展趋势是材料和器件的多样化，包括寻求新波长和工作波长可调谐的新工作物质，增大输出功率，改善光束质量，提高激光器的转换效率，提高可靠性，压缩脉冲宽度和延长工作寿命等。

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第五章 结束语

目前非线性固体激光器的主要应用体现在军事，国防，医学以及工程等方面，而国外研究人员十分重视对固体激光器国防中的重要应用，为了与国防的需求接轨，各国在提高固体激光器的性能方面进行了大量的工作，并取得了显著的进展。在国际上，固体激光技术正面临新一代的历史发展机遇，由于国防需求的牵引和技术改善的强大推力，非线性固体激光器将逐渐从理论验证走向实际化，进入装备范畴。我国必须跟紧时代步伐，与国际科学技术接轨，才不会在世界军事变革的浪潮中落伍。相信在短期内，LBO晶体研究以及非线性固体激光器的应用领域将取得更大的进步[10-15]。

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参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jji3.html