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.     

典型非线性光学晶体生长方法综述

非线性光学晶体具有多种生长方法,每种方法都有其独特的优势和适用的晶体,通过了解典型非线性光学晶体生长方法的特点,可以确定采用哪种方法获得高质量的晶体,达到预期的目的.本文主要对典型非线性光学晶体生长方法进行相关介绍,如水热法生长KTP晶体、水溶液法生长KDP晶体、有机溶液法生长DAST晶体、高温溶液法生长BBO、LBO、KBBF等晶体、泡生法生长CBO晶体、提拉法生长LiNbO3晶体、布里奇曼法生长CdSiP2、ZnGeP2、BaGa4 Se7等晶体,阐述典型非线性光学晶体的原料、溶液配制、温度压力的控制等实验制备条件,展示所生长出的晶体样品.通过对上述方法总结,为今后的晶体生长方法选取提供借鉴.     

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.     

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.     

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.     

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.     

新型非线性光学晶体设计及预测研究进展

非线性光学晶体材料作为激光技术及光电子技术核心材料之一,在激光存储、激光通信、激光制导、激光惯性约束核聚变等领域具有重要的应用.随着计算机技术快速发展,材料设计和预测日益成为“自上而下”靶向性新材料研发的一种辅助手段.本文介绍了我们团队近年来在无机非线性光学晶体材料中,关于倍频效应和双折射率的分析方法、材料设计以及结构预测等方面的研究进展.     

类金刚石Ⅰ2-Ⅱ-Ⅳ-Ⅵ4型红外非线性光学材料的结构与性能关系研究

硫属化合物由于高的非线性光学系数和宽的红外透过范围,广泛应用于军事和民用红外领域.其中类金刚石材料具有内在的非中心对称结构,能够满足作为非线性光学材料的先决条件,而且Ⅰ2-Ⅱ-Ⅳ-Ⅵ4化学式类型(Ⅰ=Li,Ag,Cu;Ⅱ=Zn,Cd,Hg,Mg,Co,Fe;Ⅳ=Si,Ge,Sn;Ⅵ=S,Se)成为目前研究的重要体系之一.调研发现已知的78个具有非中心对称结构的Ⅰ2-Ⅱ-Ⅳ-Ⅵ4类金刚石型硫属化合物,全部结晶于以下7个不同的空间群Pmn21,Pna21,Pn,I4,I42m,Cmc21,F222.本文系统概述了不同空间群下的类金刚石材料的结构特点和非线性光学性能,为未来设计性能优异的红外非线性光学晶体提供理论指导.     

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。     

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.     

中国工程物理研究院化工材料研究所新材料研发中心高能红外激光晶体与陶瓷团队

正中国工程物理研究院化工材料研究所新材料研发中心高能红外激光晶体与陶瓷团队长期专注于高能红外激光材料与器件的开发,统筹研究近、中、远红外激光介质(晶体和陶瓷)及其在高功率全固态激光方面的应用。掌握了坩埚下降法、竖直/水平梯度冷凝法等晶体生长方法,先后成功生长了高品质大尺寸ZnGeP2、AgGaS2、AgGaSe2、GaSe、BaGa2GeSe6和Dy∶PbGa2S4等中远红外晶体并加工出高品质晶体器件,产品实现进口替代并返销欧美;掌握了激     

中远红外非线性光学晶体AgGaGenQ2(n+1)(Q=S、Se)研究进展

AgGaGenQ2(n+1)(Q=S、Se)晶体是性能优异的中红外高功率非线性光学材料,在红外跟踪、制导、激光反卫星和激光医学等领域有重大应用前景.本文综合评述了AgGaGenQ2(n+1)(Q=S、Se)晶体的发展历程和研究进展,总结了本实验室已报道,以及最新研究进展,包括采用改进的两温区气相输运温度振荡法合成出单相多晶材料,在四温区立式炉中用改进的Bridgman法生长出AgGaGenQ2(n+1)(Q=S、Se)系列单晶体,晶体尺寸最大可达φ45 mm×90 mm.AgGaGenS2(n+1)晶体退火后在1μm附近透过率为65; ～70;,AgGaGeS4晶体1μm吸收系数约为0.01 cm-1.600 K时热膨胀仪测试AgGaGeS4晶体的热膨胀系数分别为αa=1.39×10-5 K-1,αb =6.87 ×10-6 K-1,αc=1.44 ×10-5K-1.AgGaGeS4表面损伤阈值为103 MW·cm-2,是文献报道值50 MW·cm-2的2倍,体损伤阈值为132 MW·cm-2.     

红外非线性晶体材料AgGa1-xInxSe2的生长和性能表征

AgGa1-xInxSe2是近几年来研制的新型红外非线性光学晶体材料,其主要特点是借着Ga和In含量,即x值的变化,改变材料的折射率、双折射,实现三波共线非线性作用的非临界(90°)相位匹配.我们用垂直布里奇曼法生长单晶,获得了φ35mm×50mm的AgGa1-xInxSe2单晶棒.对生长出晶体棒In的浓度分布进行了测试.晶体元件用红外观察镜和分光光度计分别进行了观察和测试,晶体透光率良好.用一台TEA CO2激光泵浦一块5×6×16mm3的AgGa1-xInxSe2(x=0.3234)晶体元件,成功地实现了10.6μm非临界相位匹配倍频,输出5.3μm的中红外激光.     

黄铜矿结构中红外高功率非线性光学晶体及其器件研究

本文论述了黄铜矿结构中红外高功率非线性光学晶体ZnGeP2、CdGeAs2和CdSiP2的研究进展。以高纯(6N)Ge、Si、Zn、Cd、P和As单质为原料,按化学计量比并富P 0.1～0.5%和适当富Cd和As配料,采用气相输运和熔体机械相结合的新方法,有效地克服了合成容器爆炸等问题,成功地合成出高纯单相的ZnGeP2和CdSiP2多晶材料;采用高温机械和温度振荡、以及快速降温法,有效地避免了杂相形成,合成出高纯单相的CdGeAs2多晶材料。采用改进的Bridgman法,生长出较大尺寸的ZnGeP2、CdGeAs2和CdSiP2单晶体,并制备出ZnGeP2光参量振荡器(ZGP-OPO)和CdGeAs2(CGA)倍频器件,采用2.1μm泵浦的ZGP-OPO获得3.5～5μm中红外激光调谐输出。结果表明:ZnGeP2、CdGeAs2和CdSiP2晶体,是中红外高功率激光频率转换最有前途的先进新材料。     

部分硫/硒(S/Se)红外非线性晶体原料的快速合成方法研究

含有硫/硒(S/Se)元素的部分化合物在现有中红外非线性晶体材料中占据相当重要的地位.高纯多晶原料是生长优质S/Se光学晶体的基础,但常规合成方法存在周期长、数量少等缺点.为此,针对部分S/Se化合物,我们对传统的合成方法进行优化、改进,实现GaSe,AgGaSe2,AgGaGeS4,AgGaGe5Se12等的快速合成,单次合成原料200～300 g,合成周期小于48 h,经过粉末衍射(XRD)测试表明合成的原料质量较好,能够生长出较大尺寸单晶.文中对快速合成方法的机理、存在的问题等也进行了相关讨论.     

中红外氟化物激光晶体的生长和性能优化研究

中红外激光晶体材料作为激光技术核心增益材料之一,在军事光电对抗、激光医疗、卫星遥感、环境监测、基础科学等领域具有非常重要的应用.本文介绍了近年来在中红外氟化物激光晶体材料中,关于晶体生长、光学性能优化以及中红外激光性能等方面的研究工作,特别是在中红外光学性能优化调控方面,主要介绍基于稀土能级耦合的相互作用,有效抑制发光离子的自终止效应,以及为发光离子提供有效泵浦通道.     

硒化镉单晶体的研究进展

总结了CdSe单晶体的多种生长方法,包括温度梯度熔体法,移动区熔法,助熔剂法和气相提拉法等,其中气相提拉法能有效提高CdSe单晶体的晶体纯度及光学质量.介绍了CdSe晶体用于红外非线性光学器件以及室温核辐射探测器件的研究进展,并对CdSe晶体制作中红外偏振测量用波片进行了展望.     

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     

非线性光学晶体探索的理论方法发展

非线性光学晶体是一类重要的光电信息功能材料,是光电子技术特别是激光技术的重要物质基础.激光技术的发展与非线性光学晶体的发展密切相关.为加速探索新型优秀非线性光学晶体的步伐,近六十年来旨在阐明其结构-性能关系的理论方法不断发展.本文围绕非线性光学晶体理论方法发展方面的几个重要阶段,回顾并总结了陈创天教授研究思想的科学价值.     

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.