8～12μm长波红外非线性晶体研究进展

中长波红外3～5μm、8～12μm波段激光在红外对抗、环境监测、医疗诊断等诸多领域均有重要应用.通过非线性频率变换技术是获得中长波红外激光的主要方式,红外非线性晶体是其中的核心部件.目前,3～5μm中波红外非线性晶体已基本满足激光的应用需求.随着近年来激光波长向长波红外的拓展,以及中/长波红外多波段融合技术的发展,迫切需要性能优异的长波红外非线性晶体.论文主要对目前已知8～12μm波段的长波红外非线性晶体进行梳理,并分别从晶体性能、制备技术以及激光应用等方面综述它们的研究进展,对比分析它们在长波红外波段的应用潜质以及存在的技术瓶颈,指出长波红外非线性晶体的重点研究方向.     

非线性晶体应用于中长波红外固体激光器的研究进展

中波红外3～5μm波段以及长波红外8～12 μm波段的激光处于大气传输窗口,在激光成像、环境监测、激光雷达、激光医疗、化学遥感和红外对抗等领域有着非常广阔的应用前景.基于非线性光学晶体,采用光学非线性频率变换技术在实现中长波红外固体激光输出方面具有明显的技术优势.该方法激光器结构简单,且晶体本身并不参与能量交换,因而没有量子亏损,从而产热很少.同时具有单色性好、宽调谐、高功率等优点.本文针对常用以及新型非线性光学晶体,对其应用于中长波红外固体激光器的研究进展做了详细的总结.     

长波红外用准相位匹配材料研究进展

8 ～ 12 μm长波红外波段激光在红外对抗系统、测距和瞄准系统、痕量气体监测、频谱分析和无线通信等多个领域具有重要的应用价值.随着红外固体激光器的波长不断向长波长扩展,急需长波红外非线性光学材料.但是CdSe、GaSe、ZnGeP2、AgGaSe2、LiInSe2、CdGeAs2、BaGa4Se7等非线性光学晶体受长波红外透过率、非线性系数、热导率、泵浦源波长的影响,而通过发展OP-GaAs、OP-GaP、OP-ZnSe等性能优异的准相位匹配材料来实现长波激光输出有望克服上述材料的缺点.本文主要对长波红外用准相位匹配材料进行梳理,分别从材料性能、制备技术,以及激光应用等方面综述它们的研究进展并对其应用潜质和技术瓶颈进行分析.     

中红外非线性光学晶体的研究进展

本文综述了几种重要的中红外非线性光学晶体的研究进展,分别详细介绍了各自的结构特点、非线性性能以及他们在频率变换方面的重要应用.提出了在中红外非线性光学晶体生长中遇到的困难,并探讨了解决问题的途径.认为生长性能优异、足够尺寸的红外非线性光学晶体具有非常重要的应用价值,并对中红外非线性光学晶体的研究进行了展望.     

红外非线性光学晶体材料AgGaGeS4激光实验参数的模拟计算

在小信号近似下,对红外非线性光学晶体AgGaGeS4的非线性性质进行研究.模拟计算了钛宝石0.8 μm,Nd:YAG 1.064 μm泵浦下,Ⅰ类AgGaGeS4-OPO在XZ调谐面上的相位匹配情况,晶体波长调谐范围可达0.90～11.4 μm,调谐角19.7～59.3°,有效非线性系数随匹配角增大而逐渐降低.另外也计算了晶体激光倍频波波长和相位匹配角的关系,晶体调谐角度范围0～62°,波长1.5～10.6 μm,同时对倍频允许角及非临界准相位匹配(NCPM)下的情况也进行了探讨.所得结果可预测其非线性性质,并对探索AgGaGeS4晶体用于特定波长激光器,设计新波段提供了理论依据.     

编者按

正中红外激光与非线性光学晶体在红外对抗、反恐、生物医疗、环境监测、光通讯、强场物理、激光聚变及中远红外(非线性频率转换)基础光源等方面具有重要应用,伴随半导体激光(laser diode,LD)、固体和光纤激光(含谐振泵浦)泵浦源技术的发展,已然成为激光和非线性晶体的主流发展方向之一,这类晶体也成为了激光材料的研究热点。为促进学术交流,本期特别推出"中红外激光与非线性光学晶体"专栏,邀请了国内有影响力的中青年专家学者撰写了有关文章,择要介绍如下。在中红外波段,考虑到宽吸收带、大吸收截面、长的上能级寿命(ms～数十ms)以及离子交叉弛豫、量子效率增高、LD泵浦源成熟等综合因素,2μm波段的Tm~(3+)、Ho~(3+)和3μm波段的Er~(3+)是中红外波段     

四配位硫属中红外非线性光学材料结构-性能分析

中红外非线性光学晶体通过典型的变频技术可高效输出中红外激光,是中红外激光器的重要部件,在军事和民用领域有着广泛的应用.目前有实际应用前景的中红外非线性光学材料大多是由四面体基元构成结构框架的四配位硫属化合物.本文回顾了21种代表性四配位硫属化合物的晶体结构、光学性能,以及理论计算结果,分析总结了四配位硫属中红外非线性光学晶体的晶体结构与光学性能之间的关系,这对探索性能优异的新型中红外非线性光学晶体具有重要指导意义.     

硫属卤化物红外二阶非线性光学晶体材料的研究进展

对二阶红外非线性光学晶体材料的研究是当前激光及非线性光学领域研究的重点、难点和热点之一.由于满足应用需求的材料比较缺乏,很有必要从源头上探索潜在的新型红外非线性光学晶体材料.硫属化合物和卤化物是红外非线性光学晶体新材料探索的主要体系,前者一般表现出大的倍频效应和宽的红外窗口,后者则多具有大的光学带隙,即高的抗激光损伤阈值.结合两者的优势,有望获得综合非线性光学性能优异的新材料.在此背景下,本文综述了近期硫属卤化物红外非线性光学晶体材料的研究现状,包括含S8单元的卤化物、包盐硫属卤化物和钡基硫属卤化物.这些硫属卤化物的粉末样品大都表现出优异的非线性光学性能.最后,本文讨论了该方向未来研究的机会和重点.     

红外非线性光学晶体研究进展

利用红外非线性光学晶体对可见或近红外激光进行频率下转换,是获取3μm以上中远红外激光的重要途径。本文从红外技术的发展对红外非线性光学材料提出的要求出发,系统地综述了非氧体系的红外非线性光学晶体的性能特点以及研究进展。介绍了单晶材料ZnGeP2、CdSiP2、LiInS2系列晶体及BaGa4S7、BaGa4Se7、AgGaGeS4、AgGaGe5Se12、AgGaxIn1-xSe2和GaS0.4Se0.6,以及以OP-GaAs为代表的周期结构准位相匹配材料的研究进展。最后,本文指出了目前红外非线性光学晶体研究领域存在的问题和发展趋势。     

CdSe晶体倍频光学参数及元件加工研究

对红外非线性光学晶体CdSe的倍频光学参数及其元件加工进行了研究.根据非线性光学原理和折射率色散关系,从理论上计算出CdSe晶体的有效非线性系数和倍频元件相位匹配角与基频光波长(5.5～10.0 μm)的调谐特性曲线,从实验上探索到一种通过解理试验和XRD定向测试,快速确定其光轴方向的晶体定向新方法.结果表明,CdSe晶体在Ⅱ类相位匹配条件下的有效非线性系数d_(eff)为d_(15)sinθ,倍频转换效率与方位角无关;在Ⅰ类相位匹配条件下其有效非线性系数d_(eff)恒等于0,无倍频输出.根据理论计算结果,运用定向新方法,针对VUVG法生长出的外观无方向特征的CdSe晶体,经定向切割、研磨和抛光,初步加工出基频波长为9.6 μm的CdSe晶体Ⅱ类相位匹配倍频元件, 尺寸达9.5 mm×9.5 mm×18 mm.     

新型可实用化红外非线性光学晶体研究进展

红外非线性光学晶体可以变频输出中远红外激光,在国防和民用方面都有重要应用.本文综述了近十年来发现的具有实用前景的新型红外非线性光学材料的研究进展,主要讨论已经获得较大尺寸单晶的新材料.这些晶体具有优秀的综合性能,包括足够大的非线性光学系数,宽的红外透过范围,合适的双折射,较好的单晶生长习性和稳定的物化性质.本文将从晶体结构、晶体生长、物化性能、红外激光输出等方面进行综述,并对红外非线性光学晶体未来的发展方向做出一定的讨论.     

减少ZnGeP2晶体1~2.5 μm光学吸收的研究

ZnGeP₂晶体在1~2.5 μm有几个吸收峰,此波段的吸收峰主要是由于点缺陷V_P、Ge_Zn和V_Zn引起的,这些光学吸收严重影响ZnGeP₂晶体在光参量振荡器中的应用性能。针对ZnGeP₂在此波段的光学吸收,基于电子-原子核散射理论,通过理论计算模拟电子辐照来寻找合适的辐照条件,对布里奇曼法生长出的ZnGeP₂单晶分别进行退火热处理和电子辐照处理,并采用红外光谱仪和综合物理性能测量系统测试不同条件下ZnGeP₂晶体的红外吸收光谱、霍尔系数和载流子浓度。结果表明退火热处理能有效减少ZnGeP₂晶体在1.2 μm和1.4 μm附近的光学吸收,而电子辐照处理有利于减少ZnGeP₂晶体在2.0 μm附近的光学吸收,实验结果与计算结果一致。     

布里奇曼法制备KPb2Cl5单晶

在500 ℃高真空条件下,制备了KPb2Cl5原料,对原料进行了XRD分析,表明该方法能得到纯相的KPb2Cl5.利用改进的布里奇曼法进行了生长KPb2Cl5单晶的实验,得到了直径15 mm的原晶,并测试了晶体样品的基本红外透过性能.结果显示:不镀膜的情况下,3～20 μm的中红外波段,透过率约为80;,具有很好的红外光学性能.     

中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室郭国聪课题组

正1 研究团队历史沿革研究团队是原所长黄锦顺研究员课题组的沿革,秉承结构与性能、基础与应用相结合的理念。2 重点研究领域2.1 红外非线性光学(NLO)晶体材料探索通过功能基元的结构设计策略来获得兼备高激光损伤阈值(LIDT)和高NLO效应的新型红外NLO晶体。如:采用"抗激光损伤功能基元+NLO活性功能基元"双功能基元的结构设计思路,在分子水平上组装成无心结构,同时优化红外NLO材料的激光损伤阈值和NLO系数的关键性能指     

哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室

正哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室由已故中科院院士、"全国模范教师"、著名国防科技专家马祖光教授创建。实验室主要研究方向有:非线性光学技术与应用、激光空间信息技术、激光新介质光谱与可调谐激光等。取得的成果主要有:国家发明一等奖1 项、二等奖1项,省部级特等奖2项。重点实验室下属的中红外固体激光团队现有教授2人,副教授2人,博士生10余人,二十余年一直从事非线性光学频率转换技术和2 μm激光器研究。国际上率先将中红外固体激光     

中红外波段激光晶体的研究进展

2～5 μm中红外波段激光在定向红外对抗、反恐、生物医疗、环境监测、光通讯、强场物理、激光聚变等方面有重要应用,还可用作5 ～ 20 μm中远红外激光输出的泵浦光源.从1μm的Nd3+和Yb3+,1.5 μm的Er3+,2 μm的Tm3+和Ho3+,2～3 μm的Tm3+和Cr2+,3 m的Er3+、Ho3+、U4+和Dy3+,到4 μm的Fe2+和Ho3+,再到大于4 μm的Dy3+、Er3+和Pr3+等,不断向中波红外方向拓展,是激光晶体发展的前沿.本文综述了近几年中红外波段激光晶体的研究现状,并对其未来发展进行了简要评述.文中还涉及到部分透明陶瓷的工作.     

磷属化物非线性光学晶体研究进展

红外非线性光学晶体可以通过频率转换输出中远红外激光,在军事和民用领域都具有重要的应用.硫属化物和磷属化物皆是优秀的中远红外非线性光学材料的候选体系,近二十年来,硫属非线性光学材料得到了广泛研究和应用,然而对磷属非线性光学材料的研究还相当匮乏.本文从新材料探索方面,综述了目前已经报道的磷属非线性光学材料的研究进展,按照晶体结构将其分为三大类,即经典的黄铜矿型结构、同原子键结构以及其他四面体堆积结构.主要讨论了这些化合物的晶体结构、非线性光学性能以及构效关系.最后探讨了磷属红外非线性光学晶体未来的发展方向.     

磷锗锌晶体的热处理研究

采用改进垂直布里奇曼法生长出的磷锗锌(ZnGeP2,ZGP)晶体中存在各种缺陷,导致其红外透过率较低,刚生长的晶体不能直接用于制备红外非线性光学器件.分别采用真空、同成分粉末包裹和真空-同成分粉末包裹的复合退火工艺对生长的ZGP晶体进行了退火热处理研究.应用傅立叶红外光谱仪(FTIR)、高阻仪(HRM)、X射线能谱仪(EDS)等对退火前后的晶体性能和成分进行了测试分析.结果表明,三种方法退火后晶体的红外透过率和电阻率都得到改善,其中复合退火工艺的改善效果最为显著,晶体红外透过率由41;提高到60;,电阻率由2.5×108 Ω·cm提高到7.2 ×108 Ω·cm,晶体成分接近ZGP理想化学配比,退火后晶体的光学和电学性能得到显著改善,可用于ZGP-OPO器件制作.     

ZnGeP2晶体点缺陷影响光学性能的研究进展

ZnGeP2晶体具有非线性系数大和透光波段宽的特点,是目前重要的中红外频率转换介质材料。然而,点缺陷的存在却引起了ZnGeP2晶体的额外光学吸收,影响了其应用发展。本文对ZnGeP2晶体点缺陷影响光学性能的研究进展情况做了详细的综述。利用电子顺磁共振技术研究了ZnGeP2晶体中存在的点缺陷类型;结合光学吸收和电子顺磁共振方法分析了ZnGeP2晶体点缺陷影响光学性能的机理;介绍了降低ZnGeP2晶体额外光学吸收的方法;最后,展望了围绕ZnGeP2晶体点缺陷及光学性能将开展的研究方向。     

AgGa1-xInxSe2晶体退火改性研究

采用改进布里奇曼法生长出外观完整的AgGa1-xInxSe2(x=0.2)单晶锭,晶体的红外透过率低,不能直接用于红外非线性光学器件制备.采用TA公司生产的SDTQ-600热分析仪进行DSC-TGA测试,发现其熔点为826.69℃,结晶点为750.86℃,总失重约为3.9217;.采用同成份粉末源包裹晶体,在抽空封结后进行退火处理.退火处理后晶体的红外透过率有明显改善.在4000cm-1～7000cm-1范围内红外透过率由原先低于25;改进到高于40;;在750cm-1～4000cm-1范围的红外透过率由原先低于45;改善到超过50;,在2000cm-1 ～750cm-1区域甚至高达60;.结果表明:采用同成分粉末源包裹,在抽空封结后退火处理能有效提高AgGa1-xInxSe2晶体的红外透过率,改善晶体的光学均匀性,退火后的晶体适合红外非线性光学器件制备.