深紫外非线性光学晶体KBe_2BO_3F_2的研究进展

文章以KBe2BO3F2(KBBF)晶体为代表,系统地介绍了中国深紫外非线性光学晶体的发展。首先简单回顾了KBBF晶体的发现历程,然后介绍了KBBF晶体生长、棱镜耦合器件技术的发展,以及晶体产生深紫外相干光的能力;最后简单介绍了基于KBBF晶体的深紫外相干光源在超高分辨率光电子能谱仪等先进科学仪器方面的应用及研究成果,并展望了未来可能的应用领域。     

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.     

KBBF族非线性光学晶体的发现及其深紫外谐波输出能力

回顾了在20世纪90年代,面对200 nm壁垒的科学难题,KBBF族非线性光学晶体的发现过程,系统阐述了该晶体的线性和非线性光学性质,详细介绍了其深紫外谐波输出能力的最新研究成果.     

2008-2009年度胡刚复、饶毓泰、叶企孙、吴有训、王淦昌、谢希德、周培源物理奖获奖者获奖成果介绍

1 胡刚复物理奖获奖者周兴江 中国科学院物理研究所周兴江研究员领导的研究组与其他研究组合作,研制出了世界上第一台超高能量分辨率真空紫外激光角分辨光电子能谱仪,其主要技术指标国际领先.该项目从设计、安装到调试等都由该研制团队独立完成,并采用了我国具有自主知识产权和国内国外专利的KBBF非线性光学晶体和棱镜耦合技术.真空紫外激光是在传统的同步辐射光源和气体放电光源之外,应用于角分辨光电子能谱技术的新的第三种光源.     

高非线性光子晶体光纤深紫外超连续谱的研究

光子晶体光纤作为光学非线性良好介质,对超连续谱产生具有重要作用。深紫外超连续谱光源在许多应用中有急切的需求,然而由于实验条件和光纤参数等方面的影响,利用高非线性光子晶体光纤产生深紫外(<280 nm)超连续谱的报道较少。通过理论和实验研究了高非线性光子晶体光纤在深紫外区的频率变换,并分析其产生的物理机理。使用钛宝石飞秒激光器将实验室自制的光子晶体光纤在反常色散区泵浦,研究了不同泵浦功率和泵浦波长对深紫外区超连续谱的影响,结果表明：泵浦波长固定为860 nm时,深紫外频率光谱展宽范围随泵浦功率的增加而逐渐展宽;泵浦功率固定为0.4 W时,泵浦波长的增加不仅展宽超连续谱范围而且极大的提高了深紫外区光谱的转换效率。当泵浦波长为870 nm,泵浦功率为0.4 W,实验所用光子晶体光纤长度为1.45 m,零色散波长为825 nm时,光子与色散波的交叉相位调制使深紫外基模超连续谱扩展到最短波长212 nm。     

脉冲LD泵浦电光调Q深紫外激光器

研制了千赫兹213 nm深紫外全固态激光器。激光器采用脉冲LD侧面泵浦方式和电光调Q技术,实现了10瓦级基频光的稳定输出。利用多次倍频技术,实现了稳定的213 nm深紫外激光输出。当LD泵浦电流为80 A时,213 nm激光输出的最大平均功率达到了151 m W,激光器重复频率为1 k Hz,激光脉冲宽度为10ns,功率不稳定度为3%。同时,对激光在非线性晶体中的偏振匹配和不同重复频率条件下的激光器运转特性进行了分析。     

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.     

全固态紫外激光器研究

本文报道了具有增强谐振倍频腔的全固态紫外激光器研究半导体激光二极管(LD)泵浦的Nd:YVO₄激光晶体产生波长为1064nm的近红外光,腔内倍频输出波长为532nm的绿光,再送入增强谐振腔进行四倍频,输出波长为266nm的深紫外激光产生深紫外激光的基频绿光输入阈值可低到2.5mW据我们所知,这是国内首次报道的全固态紫外激光器.     

光学晶体CsLiB_6O_(10)与K_2Al_2B_2O_7混频性能研究

基于非线性光学晶体的混频理论,利用CsLiB6O10(CLBO)晶体和K2Al2B2O7(KABO)晶体获得了紫外相干光源,详细比较了两种晶体在Ⅰ类相位匹配下的混频性能,包括混频相位匹配角、有效非线性系数、光波走离角、允许角和允许波长等参量.结果表明,KABO晶体比CLBO晶体的有效非线性系数小,其它性能均与CLBO晶体接近.这对于两种晶体用于产生紫外激光的实验研究提供了重要的理论依据.考虑到KABO晶体较好的物化性质以及不潮解这一显著特征,KABO晶体可能是最有希望实现实用化的紫外混频晶体.     

上海深紫外自由电子激光的非线性谐波辐射研究

 自由电子激光中的非线性谐波辐射能达到较高的谐波功率,可以用来得到短波长辐射或者降低第4代先进光源对电子束团品质的严厉要求。基于3维自由电子激光软件,深入详细地研究了上海深紫外自由电子激光装置的非线性谐波辐射,并且提出了谐波辐射实验和测量建议。研究表明上海深紫外自由电子激光装置3次非线性谐波辐射的功率可以达到基波功率的2%水平。     

光学晶体CsLiB6O10与K2Al2B2O7混频性能研究

基于非线性光学晶体的混频理论，利用CsLiB6O10（CLBO）晶体和K2Al2B2O7（KABO）晶体获得了紫外相干光源，详细比较了两种晶体在Ⅰ类相位匹配下的混频性能，包括混频相位匹配角、有效非线性系数、光波走离角、允许角和允许波长等参量．结果表明，KABO晶体比CLBO晶体的有效非线性系数小，其它性能均与CLBO晶体接近．这对于两种晶体用于产生紫外激光的实验研究提供了重要的理论依据．考虑到KABO晶体较好的物化性质以及不潮解这一显著特征，KABO晶体可能是最有希望实现实用化的紫外混频晶体．     

高功率皮秒紫外激光器新进展

高功率皮秒紫外激光器在高精密加工、激光医疗、光电对抗和光伏产业等领域有重要应用,近年来成为固体激光新光源研究热点。本文对国内外基于和频技术的高功率皮秒紫外激光器研究新进展进行了归纳和总结。首先,阐述了和频工作原理,介绍了和频产生皮秒紫外激光的非线性晶体;然后,介绍了国内外高功率皮秒紫外激光器的新进展,包括:高功率皮秒紫外激光器、高峰值功率皮秒紫外激光器、高功率和高峰值功率皮秒紫外激光器。最后,展望了高功率皮秒紫外激光器的进一步发展及应用。归纳和总结表明:高功率皮秒紫外激光器在国外较成熟,国内在该领域的研究刚刚起步。光子晶体光纤和碟片激光器输出基频光的皮秒紫外激光器有突出的优势,已成为皮秒紫外激光产业的主力军。     

利用倍频技术产生265紫外激光

紫外激光在光化学、生物化学、高能光子研究、农业等方面有广泛的应用.由于自发辐射几率与频率的三次方成正比,因此直接通过受激发射获得紫外激光是比较困难的,于是人们常常利用非线性光学晶体的倍频效应来产生紫外激光. 1975年4月到7月,山东大学光学系工农兵学员吕绍兴、徐大顺到中国科学院物理研究所激光研究室非线性光学研究小组进行毕业实习,参加了该组的工作,在此期间做了将钕玻璃激光器输出的1.06μ红外激光经过两次倍频以后产生2650A紫外激光的工作,本文对此工作作一个简单的介绍. 一、实验装置 根据当时的条件,我们对实验作了如下…     

深紫外无机非线性光学晶体硼铍酸锶及其分子工程学探索方法

阐述了紫外无机非线性光学晶体分子工程学探索方法的基本特点，具体分析深紫外无机非线性光学晶体硼铍酸锶（ＳＢＢＯ）以氟硼铍酸钾（ＫＢＢＦ）为主要参考晶体的分子设计方法，随后根据晶体结构研究、单晶培养、和非线性光学性能测定等实验结果讨论ＳＢＢＯ作为新型深紫外无机晶体的主要优点，即它既具有更短的紫外吸收边（接近１５５ｎｍ）和较大的非线性光学系数（ｄ２２（ＳＢＢＯ）＝０６×ｄ２２（ＢＢＯ）＝１３８ｐｍ／Ｖ），同时晶体无明显层状习性，并肯有良好的化学稳定性和机械性能     

生物医学领域中超连续激光光谱技术的研究进展

超连续谱激光指的是当泵浦激光穿过特殊光波导时,一系列的非线性效应引起入射激光束的光谱展宽,从而输出宽光谱激光束。随着超快激光和光子晶体光纤技术的发展,利用超短脉冲在光子晶体光纤中的传播链产生相干的且亮度高的超连续谱激光成为了一种理想的白光源。自从超连续谱激光源投入应用以来,其应用领域越来越广。尤其在生物医学的细胞、血液等样品分析当中,荧光光谱学、流式细胞仪、共焦显微、光学相干层析等技术都是强有力的分析工具,在采用这些先进技术的科学仪器中,超连续谱激光源成为了一种主要光学部件。首先对超连续谱激光源的国际研究进展作了详细介绍,然后对超连续激光光谱技术在显微成像、流式细胞仪、荧光寿命成像显微、荧光共振能量转移、光学相干层析、共焦显微生物医学分析等生物医学领域中的发展及应用作了综合阐述。对超连续激光光谱技术在非接触式血液制品鉴别的需求、方案及研究进展进行了重点论述,包括覆盖400～2 000 nm光谱范围的光纤化轻型超连续谱激光光源研究;采用超连续谱激光光谱方法探索不同物种血液的种属特征;根据大数据的血液样品光谱特征元数据库分析建立数学模型,利用数学模型实现对血液样品种属光谱学判定;血液鉴别光谱分析便携式整机系统研发等。对超连续激光光谱技术在生物医学领域的应用前景作了展望。     

深紫外自由电子激光装置最新进展

中国科学院上海应用物理研究所自由电子激光团队于近日完成了一项新的自由电子激光实验,在上海深紫外自由电子激光装置(SDUV-FEL)上,利用相对论电子束团在沟槽金属结构中激起的尾波场,对电子束纵向相空间的非线性进行了补偿,并成功实现了自由电子激光辐射光谱的操控和改善。该项研究成果近日发表在《物理评论快报》。作为第四代先进光源,自由电子激光由高亮度电子束团驱     

Ba1-xB2-y-zO4SixAlyGaz晶体和频可调谐深紫外飞秒激光器

介绍了一种基于新型非线性晶体Ba_1-xB_2-y-zO₄Si_xAl_yGa_z 的可调谐深紫外飞秒激光光源. 从理论上分析了基频光和倍频光在通过非线性晶体时所造成的空间走离和群速度失配, 为了补偿空间走离以及波长调谐过程中晶体折射造成的光束偏离现象, 将两块相同的倍频晶体成镜像放置来产生二次谐波. 并调节延迟线的长度来补偿基频光和倍频光之间的群速度失配, 从而提高和频转换效率. 然后通过和频方式进行三倍频和四倍频来突破晶体相位匹配条件的限制, 产生了波长低于200 nm的深紫外飞秒激光. 利用钛宝石激光器提供基频光光源, 最终在250–300 nm, 192.5–210 nm 范围内获得了高重频、可调谐超短脉冲紫外和深紫外激光. 并在基频光波长为800 nm时, 得到的二倍频、三倍频和四倍频的功率分别为1.28 W, 194 mW和5.8 mW, 相对于前一级的转换效率依次为46.14%, 15.16%和3%. 采用互相关法测量得到266.7 nm紫外激光的脉冲宽度约为640.4 fs.     

高非线性光子晶体光纤中优化产生宽带紫外三次谐波

通过非线性光学频率转换技术产生不同频率的脉冲辐射是实现具有短波波长的激光光源的有效手段.近年来,光子晶体光纤技术的发展为解决传统的基于非线性晶体的频率转换系统面临的难以维护、转换效率低、不易推广等问题带来了新的解决思路.在频率转换研究领域中,紫外光波段的脉冲辐射产生一直以来都受到学者的广泛关注.国外已报道过利用超短脉冲抽运光子晶体光纤实现三次谐波产生,从而输出具有高灵敏度和高分辨率的窄带紫外脉冲辐射,但其紫外光转换效率较低,且光谱的可调谐能力有限,而这些缺陷恰恰可以由宽带紫外脉冲辐射的获得来改善.宽带紫外脉冲辐射的有效获得不仅意味着紫外光转换效率可大幅提高,并且若加以合适的滤波手段,还可获得内任意波长下的窄带宽的脉冲辐射,从而增加窄带紫外脉冲辐射的可调谐度,但目前相关报道较为有限.本文将中心波长为1035 nm,脉冲重复频率为50 MHz的飞秒激光耦合至一定长度的高非线性光子晶体光纤中,将其产生的拉曼自频移孤子作为三次谐波产生的抽运源,通过相位匹配作用,在深紫外波段产生高阶模式传导下的三次谐波.随后让超短脉冲以偏离光纤轴心一定角度入射,可进一步激发出具有更短波长的超高阶紫外光模式.通过激发多个邻近的超高阶紫外光模式,在一定连续范围内实现相位匹配,获得超高阶紫外光模式传输下紫外光转换效率为3.6%的宽带(32—360 nm)深紫外脉冲激光.实验结果与理论模拟结果相一致.     

深紫外和频晶体CLBO产生193 nm激光的频率变换

 简述了深紫外和频晶体CLBO的光学特性。根据相位匹配角公式、非线性有效系数公式、走离角公式和允许角公式,详细计算了CLBO晶体和频产生193 nm激光时的相位匹配角、非线性有效系数、和频时谐波走离角、允许角的具体数值。根据这些数值,并考虑产业化的要求,对目前几种和频方式进行了比较,最终选定波长为λ₁=2 100 nm的o光和波长为λ₂=213 nm的e光作为基频光进行和频的匹配方式。此方式相位匹配角为51.6°,具有大的非线性有效系数0.97,小的走离角3.7°,大的允许角1.9×10^-6 rad·mm,是非常理想的产生193 nm激光的匹配方式。     

具有中心对称结构的3m点群晶体中紫外三次谐波的产生

研究了中心对称晶体中的三阶非线性频率转换,并在这类晶体中实现了紫外激光的有效输出.确定了负单轴晶体的相位匹配角公式及相应的相位匹配角.选择带有离域共轭π键的冰洲石晶体和α-BBO晶体进行实验.以飞秒激光作为基频光,在Ⅱ类相位匹配方式下,利用α-BBO晶体获得了最高单脉冲能量为37.6μJ的266nm紫外三次谐波,最高转换效率为2.5%;利用冰洲石晶体获得了最高单脉冲能量为19.3μJ的266nm紫外三次谐波,最高转换效率为1.25%.该研究验证了利用中心对称晶体的三阶非线性效应直接获得紫外激光的可行性和获得深紫外激光的可能性,为紫外非线性晶体的探索和深紫外激光的研究提供参考.