新型硫族化合物在中红外非线性光学晶体方面研究进展

利用红外非线性光学晶体材料对已有的成熟的激光光源进行频率转换是获得3~5μm和8~12μm"大气窗口"红外激光的主要方法。传统的红外非线性光学晶体存在缺陷,不能满足应用要求,需要探索新型的红外材料。综述了以硫族化合物为研究对象,寻找新型中红外非线性光学晶体材料的研究进展。介绍了Li MQ2(M=Ga,In;Q=S,Se,Te),BaGa4S7,BaGa4Se7,BaGa2MQ6(M=Si,Ge;Q=S,Se)及Li2In2MQ6(M=Si,Ge;Q=S,Se)的研究进展。     

基于非线性频率变换的长波红外激光器研究进展

8～12μm长波红外波段激光位于大气传输窗口并覆盖诸多气体分子的吸收带,在大气探测、光电对抗等领域具有重要的应用。目前,通过粒子数反转激光器直接辐射以及非线性频率变换间接辐射是实现8～12μm长波红外激光输出的主要方式。其中,基于非线性光学晶体频率转换的长波红外激光器具有结构紧凑、波长选择灵活、功率拓展性强等优势,近年来得到了快速发展和广泛应用。本文对二阶非线性频率变换的光学晶体、工作原理,以及获得长波红外激光的研究进展进行综述,并对基于受激拉曼散射的三阶非线性频率变换获得长波红外的方法进行了介绍和展望。     

应用于宽带中红外激光产生的啁啾周期极化铌酸锂晶体结构设计及数值模拟

中红外波段3—5μm激光光源在医疗、基础科学、通信、工业等众多领域都有着重要的应用需求,而受制于中红外波段的增益介质,传统的激光产生及放大的方法如再生放大、多程放大、行波放大等已经不适用.为了产生宽带且高能量的中红外激光,本文结合准相位匹配技术和啁啾周期极化铌酸锂(CPPLN)晶体进行了理论分析.通过计算分析铌酸锂晶体的色散关系曲线,对CPPLN晶体的结构参数进行设计和调节.结合非线性耦合波方程组与四阶龙格库塔法对该晶体在800 nm激光的抽运下,与0.95—1.6μm范围内的信号光进行准相位匹配差频转换进行了数值模拟.研究表明,在单块CPPLN晶体中,结合准相位匹配技术,能够高效产生覆盖1.6—5μm的中红外激光.对CPPLN晶体产生中红外激光的理论分析和数值模拟,能够为进一步的实验探究等提供方案参考和理论支持.     

基于第一性原理的新型非线性光学晶体探索

非线性光学晶体能对常见波段的激光进行频率转换,从而获得宽波段、可调谐的激光光源.此类光电功能材料在军事和民用领域具有重要的战略价值和应用价值.经过30多年的发展,应用于可见光及邻近波段的非线性光学晶体技术已经基本成熟,但深紫外和中远红外波段的非线性光学晶体技术的发展仍存在诸多不足,还需要在这些波段进行新型优质的非线性光学晶体探索.近年来,为了改变传统低效的"炒菜式"实验探索,加快新材料研发速度,基于密度泛函理论的第一性原理计算方法在新型非线性光学晶体探索中得到了广泛的应用.本文总结了近几年深紫外和中红外波段非线性光学晶体的新进展,通过介绍几种新型非线性光学晶体材料的研发过程,突出了第一性原理计算在新材料探索过程中起到的关键作用;探讨了非线性光学晶体研发的研究难点与趋势,以及第一性原理方法在未来新材料探索中的重点攻关方向.     

远红外固体激光器研究进展

8～12μm波段是大气的一个窗口,被定义为长波红外波段。该波段激光对雾、烟尘等具有较强的穿透力,在激光光电对抗、激光遥感、医疗、环境监测及光通讯领域具有重要的应用前景。本文调研了常用的8～12μm非线性频率变换晶体,以及基于非线性频率变换晶体的远红外光参量振荡器的研究进展,对国内外能实现8～12μm波段激光输出的非线性晶体及激光系统进行了系统地归纳和总结,通过分析比较得出在8～12μm波段获得的最大输出能量为毫焦量级,最大功率为瓦量级。国内该技术与国外有着不小的差距,主要受制于高重频、高功率脉冲1～3μm泵浦源技术不成熟及高性能非线性晶体材料研制基础薄弱,我国在长波远红外固体激光器领域研究进展缓慢,因此研制大尺寸、高质量远红外激光晶体及输出波长更长的远红外高功率激光器已经成为激光器未来发展方向之一。     

2μm波段硫系玻璃微球激光器的制备和表征

工作在2μm波段附近的中红外微球激光器在生物医学传感、激光雷达、窄带光学滤波和空气污染监控等领域具有重要的应用价值.本文以自制的Tm~(3+)-Ho~(3+)共掺的Ge-Ga-Sb-S (2S2G)硫系玻璃为基质材料,采用玻璃粉末高温漂浮熔融法批量制备了高品质(典型品质因数大于10~5)硫系玻璃微球.优选一颗直径为205.82μm的微球为实验对象,利用光纤锥耦合法对其进行光学近场耦合实验.在808 nm抽运光的作用下,在1.8—2.1μm波段处可观测到明显的荧光回廊模现象.当抽运功率达到0.848 mW的阈值时,可在2080 nm附近观测到明显的激光输出.上述实验结果表明本文采用的2S2G硫系玻璃具有用于制备工作在中远红外波段的有源光学/光电子学器件的潜力.     

NbSe2纳米颗粒锁模的2μm光纤激光器

高重频大脉冲能量激光在基础科学研究以及通信、探测、材料加工等应用领域具有重要价值。报道了溶液法制备的过渡金属二硫化物NbSe2纳米颗粒材料的线性和非线性光学特性,并利用其2μm波段可饱和吸收特性对掺铥光纤激光器进行被动调制实现了2μm锁模激光输出。线性测量发现NbSe2纳米材料的光学吸收覆盖近红外到近中红外波段且随波长增加而降低;非线性光学测量显示NbSe2纳米材料在2μm波段的调制深度为6.5%、饱和强度为19 MW·cm^−2。然后我们把NbSe2纳米材料转移到金镜上制作成可饱和吸收器件,并对掺铥光纤激光器进行调制得到2μm耗散孤子谐波锁模激光,单脉冲能量为3.36 nJ,脉冲宽度为1.48 ns,重复频率为50.66 MHz。激光光谱的中心波长为1910.8 nm,光谱宽度为5.8 nm。首次在2μm光纤激光器中采用NbSe2纳米颗粒实现耗散孤子锁模,证明了NbSe2纳米材料在2μm波段的非线性光学调制能力,结合纳米颗粒的可集成特性,溶液法制备的NbSe2纳米材料有望成为一种新型的宽谱非线性光电调制材料/器件。     

Ga2S3-Sb2S3-Ag2S硫系玻璃和光纤的制备及性能研究

本工作确定了一种新型的Ga₂S₃-Sb₂S₃-Ag₂S硫系玻璃体系的玻璃形成区,研究了玻璃的热稳定性和光学性能、稀土离子掺杂玻璃的中红外发光特性以及玻璃的成纤性能,评估了该玻璃在中红外波段的应用潜力.实验结果表明,Ga₂S₃-Sb₂S₃-Ag₂S体系的玻璃形成区为～10%—30%Ga₂S₃,～60%—80%Sb₂S₃和～0—15%Ag₂S(均为摩尔分数);该玻璃具有较宽的红外透过范围(～0.8—13.5μm)、较高的线性折射率(～2.564—2.713@10μm)和较大的三阶非线性折射率(～9.7×10^-14—15.7×10^-14 cm²/W@1.55μm);使用1.32μm激光抽运,稀土离子Dy...     

蛋白石型光子晶体红外隐身材料的制备

基于光子晶体的红外隐身材料,主要采取一维层层堆叠结构和三维木堆结构等来实现对红外波段电磁波辐射性能的调控.本文报道了一种操作简易、成本低廉的光子晶体红外隐身材料制备方法.通过优化的垂直沉积法,微米级SiO_2胶体微球自组装成高质量的蛋白石型光子晶体结构.对SiO_2胶体微球进行优选,成功制备了禁带位于2.8—3.5μm,8.0—10.0μm的SiO_2胶体晶体蛋白石型光子晶体材料.该材料可改变目标相应波段的红外辐射特征,具有目标红外波段的隐身效果.     

Ge30Sb8Se62硫系玻璃的制备及其10.6μm低损耗空芯光子带隙光纤的设计

硫系玻璃光子晶体光纤在中远红外激光传输领域具有广阔的应用前景。制备了红外波段具有优良透过特性的Ge30Sb8Se62硫系玻璃,并以此为基质材料设计了一种适合于高功率中红外激光传输的带隙型光子晶体光纤。利用平面波展开法和有限元法分析了不同结构下该光纤的光子带隙、模场面积和限制损耗特性。通过优化光纤的结构参数,获得了在10.6μm处限制损耗小于0.1dB/m的大模场(模场面积大于100μm2)光子晶体光纤。     

中红外固体激光器研究进展

本文介绍了中红外固体激光器中新型的Fe²⁺: ZnSe激光器和基于MgO: PPLN、ZnGeP₂晶体的光参量振荡器的发展现状,讨论了它们在发展过程中遇到的技术难题,探讨了中红外固体激光器的未来发展方向。波长为3~5 μm的中红外固体激光器具有效率高、体积小和重量轻等优点,在工业、医疗、军事等方面具有重要应用价值,研制大尺寸、高质量中红外激光晶体和输出波长更长的红外高功率激光泵浦源已成为中红外固体激光器未来发展方向之一。     

中红外光学参量振荡器技术进展

3~5μm中红外激光器在环境污染检测、医疗、工业等领域具有重要的应用价值。本文总结了基于ZnGeP_2、MgO∶PPLN晶体的光参量振荡器(OPO)的国内外发展现状,分析了其各自不同结构系统设计的优势和发展前景。指出高功率、小体积、轻重量的光学参量振荡器是未来重要发展方向,发展的技术核心是生长更大尺寸的中红外激光晶体以及研制更高性能指标的OPO泵浦源,并对中红外激光器的发展趋势进行了展望。     

Detection of small N2O concentrations using a frequency doubled CO2 laser

A reliable procedure for remote high-accuracy laser detection of N₂O as one of the principal destroyers of the protective ozone layer of the Earth has been developed. The procedure is based on using a CO₂-laser system emitting efficiently in the 4.5 μm range. In this case lasing from isotopic modification ¹²C¹⁸O₂ of carbon dioxide with its subsequent frequency doubling by a nonlinear crystal is used. With the object of reducing the price the composition of the active medium (both for TEA laser and low-pressure longitudinal-discharge-excitation laser) has been optimized. New high-efficiency intracavity frequency doubling schemes based on nonlinear AgGaSe₂ crystals have been developed for CO₂-lasers of both types. Low concentrations of N₂O and concentrations of the principal background gases CO and H₂O have been measured under real atmosphere conditions with the aid of the lidar complex built around these lasers.     

4H‐SiC: a new nonlinear material for midinfrared lasers

Nonlinear optical (NLO) frequency conversion is commonly used for generating midinfrared (MIR) lasers that offer light sources for a variety of applications. However, the low laser damage thresholds of NLO crystals used so far seriously limit the output power of MIR lasers. Here, a new nonlinear material 4H‐SiC is demonstrated for producing MIR laser. Broadband MIR radiation ranging from 3.90 to 5.60 μm is generated in 4H‐SiC by phase‐matched difference‐frequency generation for the first time. The results may open a door to practically utilize wide‐bandgap semiconductors with high laser damage thresholds as NLO materials for high power output of MIR lasers.     

Characterization and frequency measurement of a new far infrared laser line from CHin2Fin2

We present the discovery and frequency measurement of a new FIR laser line from CH₂F₂ optically pumped by a waveguide CO₂ laser. This new line has the same CO₂ laser pump line (9R32), offset (+5 MHz) and relative polarization of the strongest FIR laser line of CH₂F₂, namely the 184.3μm. The frequency is only 19,454 MHz apart from that of this line. We got a frequency measurement of 1,646,196.6 (10) MHz, which corresponds to a wavelength of 182.112 μm.     

类KBe_2BO_3F_2结构硼酸盐深紫外非线性光学材料的研究进展

利用非线性光学(NLO)晶体材料和变频技术,可以把波长范围有限的激光光源扩展到紫外、深紫外区,这已成为深紫外光源的热点研究方向.然而,目前限制深紫外全固态激光器发展和应用的关键问题是缺乏能够在该波段进行频率转换并且产业化应用的NLO晶体材料.因此,该领域的各国科学家都在积极探索并发展新一代的深紫外NLO晶体材料.目前仅有KBe_2BO_3F_2 (KBBF)晶体能够实现Nd:YAG的直接六倍频深紫外激光(波长为177.3 nm)输出.然而, KBBF晶体存在严重的层状生长习性,并且其原料氧化铍有剧毒,从而极大地制约了其商业化生产和应用进程.根据阴离子基团理论,以BO_3基团为基本结构单元形成的类[Be_2BO_3F]层状结构特征仍然是目前最有利于产生深紫外谐波的适宜结构之一,因此,基于KBBF层状结构进行分子工程设计,并开发类KBBF结构的硼酸盐可能是探索新材料的优选策略.本文通过回顾类KBBF结构硼酸盐深紫外NLO晶体的发展历程,系统梳理该类晶体材料层状结构特点、不同层间连接方式和光学性能,分析限制深紫外NLO晶体发展的主要因素,讨论目前发展类KBBF结构硼酸盐深紫外NLO晶体材料的主要矛盾和解决策略,以期对未来新材料的创新探索提供借鉴.     

Broadly tunable single-frequency cw mid-infrared source with milliwatt-level output based on difference-frequency generation in orientation-patterned GaAs

A narrow-linewidth mid-IR source based on difference-frequency generation of an amplified 1.5 microm diode laser and a cw Tm-doped fiber laser in orientation-patterned (OP) GaAs has been developed and evaluated for spectroscopic applications. The source can be tuned to any frequency in the 7.6-8.2 microm range with an output power of 0.5 mW. The measured characteristics of the OP-GaAs sample demonstrate a high quality of the material.     

Nd~(3+):SrY_2O_4粉体的制备、结构与光谱性能研究

为探索新型激光晶体,采用固相法合成了(3 at.%)Nd~(3+):SrY_2O_4多晶,对其结构和发光性质进行了研究.对样品的X射线衍射谱进行Rietveld精修得到了样品的晶胞参数、原子位置等.在353 nm激发下,Nd~(3+):SrY_2O_4在可见波段的最强荧光峰位于419 nm,对应Nd3+的2D15/2→4I9/2跃迁.在824 nm激发下,Nd3+的4F3/2→4I11/2跃迁的荧光谱带宽约为90 nm,最强峰为1083 nm,荧光寿命为281.7μs.宽发射光谱和长的能级寿命表明,Nd~(3+):SrY_2O_4是一种很有希望的新波长激光二极管抽运超短脉冲激光材料.     

Frontispiece: 4H‐SiC: a new nonlinear material for midinfrared lasers

Nonlinear optical (NLO) frequency conversion is commonly used for generating midinfrared (MIR) lasers that offer light sources for a variety of applications. However, the low laser damage thresholds of NLO crystals used so far seriously limit the output power of MIR lasers. Shunchong Wang et al. (pp. 831–838) demonstrate a new nonlinear material 4H‐SiC for producing midinfrared laser. Broadband midinfrared laser ranging from 3.90 to 5.60 μm is generated in 4H‐SiC by phasematched difference‐frequency generation for the first time. The results may open a door to practically utilize wide bandgap semiconductors with high laser damage thresholds as nonlinear optical materials for high power output of midinfrared lasers.