LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

激光倍频

利用非线性晶体在强激光作用下的二次非线性效应，使频率为ω的激光通过晶体后变为频率为2ω的倍频光，称为倍频技术，或二次谐波振荡。如将1.06微米的激光通过倍频晶体，变成0.532微米的绿光。倍频技术扩大了激光的波段，可获得更短波长的激光。

倍频激光器

用非线性材料产生倍频激光的器件称为倍频激光器。一般把入射地激光称为基频光，由倍频激光器出来的激光称为倍频光或二次谐波。

根据非线性材料特性，我们一般采用角度相位匹配来得到二次谐波。角度相位匹配是利用晶体的双折射来补偿正常色散而达到相位匹配的一种方法。使入射晶体的基频光和产生的倍频光具有不同的偏振态，而所用晶体应预先根据晶体光学的理论和有关的折射率数据，计算出切割晶体的方向，磨制成所需形状，使基频光和倍频光能满足相位匹配条件。

两类匹配方式

按照入射基波的偏振态又可将角度匹配方式分为两类：一种是基波取单一的线偏振光(如o光)形式入射，而倍频波为另一状态的线偏振光(如e光)，这种情况通常称之为第I类相位匹配。这一倍频过程用一式子表示为“o + o→e”，因为两个基波的偏振方向是平行的，所以又称平行式位相匹配。另一种情况是基波同时取两种不同的线偏振光(o光e光)形式入射，即两者的偏振方向是相垂直的，而产生的倍频波为单一状态的线偏振光(如e光)，这种情况通常称为第Ⅱ类位相匹配，记作“e + o→e”。因为第Ⅱ类匹配方式，在非线性极化过程中，不是单纯由基波的o光(或e光)的分量乘积在起作用，而是o光和e光分量同时在起作用。

一束自然光入射于单轴晶体时，会变成两束折射光，称为e光。

o光就是寻常光，沿不同方向传播速度相同，e光沿不同方向传播速率不同。

o光、e光都是线偏振光，o光的振动方向垂直于o光的主平面，e光的振动方向在e光的主平面内。

光在非均质体中传播时，其传播速度和折射率值随振动方向不同而改变，其折射率值不止一个。光波入射非均质体，除特殊方向以外，都要发生双折射，分解成振动方向互相垂直，传播速度不同，折射率不等的两种偏振光，此现象称为双折射。以寻常折射率传播的为o光，满足折射定律；以非寻常折射率传播的为e光，不满足折射定律

Nd:YVO4介绍：

　　掺钕钒酸钇（Nd:YVO4）晶体是一种性能优良的激光晶体，适于制造激光二极管泵浦特别是中低功率的激光器。与Nd:YAG相比Nd:YVO4对泵浦光有较高的吸收系数和更大的受激发射截面。激光二极管泵浦的Nd:YVO4晶体与LBO,BBO,KTP等高非线性系数的晶体配合使用，能够达到较好的倍频转换效率，可以制成输出近红外、绿色、蓝色到紫外线等类型的全固态激光器。现在Nd:YVO4激光器已在机械、材料加工、波谱学、晶片检验、显示器、医学检测、激光印刷、数据存储等多个领域得到广泛的应用。而且Nd:YVO4二极管泵浦固态激光器正在迅速取代传统的水冷离子激光器和灯泵浦激光器的市场，尤其是在小型化和单纵模输出方面。

　　Nd:YVO4与Nd:YAG比较的优势：

　　在808nm左右的泵浦带宽，约为Nd:YAG的5倍。

　　在1064nm处的受激发射截面是Nd:YAG的3倍

　　光损伤阈低，高斜率效率

双轴晶体，输出为线偏振

Nd∶YVO4 晶体在 1064nm 处的受激发射截面大,在 808nm处的吸收系数高,以及吸收谱线宽等参数均优于其它现有的晶体材料

YAG

是钇铝石榴石的简称，化学式为Y3Al5O12，是由Y2O3和Al2O3反应生成的一种复合氧化物，属立方晶系，具有石榴石结构。石榴石的晶胞可看作是十二面体、八面体和四面体的链接网。

一、YAG系列晶体

1、Nd：YAG晶体：

　　Nd：YAG晶体是目前综合性能最为优异的激光晶体。激光波长1064nm，广泛用于军事、工业和医疗等行业。能提供F1-20(D) ´ 10-140（L）mm的激光棒和各种板条元件，Nd浓度为0.6～1.1at.%。

2、Ce：Nd：YAG晶体

　　对于闪光灯泵浦的激光器而言，泵浦灯的发射光谱实际是一个宽带连续浦，只有少数的光谱峰和Nd离子吸收峰相匹配，所以一般的灯泵浦只利用了很少部分的光谱能量，效率较低。在Nd：YAG晶体的基础上添加Ce离子形成Ce：Nd：YAG是利用Ce离子能对紫外光谱区光子能量产生很好的吸收，并且将能量以无辐射跃迁的方式传递给Nd离子，从而增加了光谱的利用率，因此激光棒效率高、阈值低、重复频率特性好。另外，它将对Nd：YAG而言有害的紫外辐射（长时间的紫外辐射，会在Nd：YAG晶体内形成色心，从而降低晶体的激光性能）进行了有效的利用，因此抗紫外辐射、甚至可不用特殊的滤紫外石英套管。Ce：Nd：YAG因掺Ce以后晶体呈黄色，所以又叫黄棒。能提供F1-20(D) ´ 10-140（L）mm的激光棒和各种板条元件，Nd浓度为0.6～1.1at.%，Ce浓度为0.03～0.4at.%。

3、Yb：YAG晶体

　　Yb:YAG是三价镱离子(Yb3+)掺入钇铝石榴石（YAG）基质中形成的一种产生1.03um近红外激光的激光晶体，其与Nd:YAG属于同一种基质，但由于掺杂不同而导致生长工艺有所不同。掺镱YAG由于量子效率高（91%），晶体光谱简单，无激发态吸收和上转换，且无荧光浓度猝灭，掺杂浓度高(可达30at.%以上)，有较长的荧光寿命（0.91ms），吸收带带宽(18nm)比Nd:YAG的(<4nm）宽得多，能与二极管的泵浦波长有效耦合。在相同的输入功率下，Yb:YAG泵浦生热仅为Nd:YAG的1/4。而且YAG基质的物化特性综合性能最为优良，所以Yb:YAG已成为最引人注目的固体激光介质之一，LD泵浦的高功率Yb:YAG固体激光器成为新的研究热点，并将其视为发展高效、高功率固体激光器的一个主要方向。

　　目前，工业用激光设备如：激光打标机、激光雕刻机、激光焊接机、激光划片机、镭雕机、激光打孔机等都是采用Nd：YAG激光棒的。

GdVO4

掺钕钒酸钆单晶(Nd:GdVO4)和掺钕钒酸钇单晶(Nd:YVO4)性质相近的优秀的激光晶体, Nd:GdVO4晶体的光谱和振荡性能与Nd:YVO4相似，但由于用半径较大的Gd3+置换Y3+，从而Nd3+的分凝系数接近于1，晶体质量明显提高。Nd:GdVO4有优良的物理、光学、机械性能,是理想的激光二极管泵浦全固态(DPSS)微小型激光器的激光工作物质之一。它比Nd:YAG有更高的斜率效率，比钒酸钇有更好的热导和高输出功率，故在高功率DPSS场合，使用Nd:GdVO4的效果会比使用Nd:YAG和Nd:YVO4更好。

其主要优点为：

•　大的受激发射截面；

•　高的吸收系数和宽的吸收带宽，对泵浦波长的依赖性小；

•　热导性能好；

•　激光阈值低，激光输出斜率效率高；

•　激光损伤阈值高；

•　激光输出偏振性好。

LBO(LiB3O5 )

优秀的大功率紫外倍频晶体，具有宽的透光波段，高的损伤阈值，大的接受角。

　　主要性能：

　　透过波段：0.165~3.2μm

　　非线性系数：d31=1.05Pm/V

　　激光损伤阈值：25GW/cm2

　　倍频转化效率：40~60%（1064nm→532nm）

　　应用范围：固体激光系统，特别是用于高功率Nd:YAG的二倍

　　频，三倍频以及光参量振荡和放大等。

　　主要规格：最大器件规格尺寸：10 mm x 10mm x 20mm

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　　全球做的最好的是中国科学院福建物质结构研究所控股的福晶科技有限公司，在尺寸和光学增透上遥遥领先。

　　LBO晶体的主要优点：* 可透光波段范围宽（160—2600nm）

　　* 光学均匀性好，内部包络少

　　* 倍频转换效率较高（相当于KDP晶体的3倍）

　　* 高损伤域值（1.3ns脉宽的1053nm激光可达10GW/cm2)

　　* 接收角度宽，离散角度小

　　* I,II类非临界相位匹配（NCPM）的波段范围宽

　　* 光谱非临界相位匹配（NCPM）接近1300nm

　　LBO晶体的主要应用：. 二倍频方面:

　　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

　　4. 红宝石，Ti:Sappire与Cr:LiSAF激光

　　. 三倍频方面：

　　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

　　LBO是一种点群mm2的斜方晶体，由连续的网状B3O7分子群组成，并有锂离子填充在分子间隙。B3O7分子群紧凑的结构使得LBO晶体难以包含任何杂质。表1是LBO晶体的部分物理和化学特性。表1 LBO晶体的物理和化学特性

晶体结构斜方晶系， 空间群Pna21，点群mm 晶格参数 a=8.4473A,b=7.3788A,c=5.1395A,Z=2 熔点约834℃ 莫氏（Mohs）硬度 6 密度 2.47g/cm 热膨胀系数 αx=10.8x10-5/K，αy=-8.8x10-5/K，αz=3.4x10-5/K 吸收系数<0.1%/cm at 1064nm

LBO晶体的光学及非线性光学特性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。表2. 给出了LBO晶体在不同波长下的折射系数。折射系数与波长的关系可用塞米尔（Selleimer） 方程式表示如下（λ表示μm）：

　　n2x=2.454140+0.011249/（λ2-0.011350)-0.014591λ2-6.60×10-5λ4n2y=2.539070+0.012711/（λ2-0.012523)-0.018540λ2+2.00×10-4λ4n2z=2.586179+0.013099/(λ2-0.011893)-0.017968λ2-2.26×10-4λ4 在1.064um光下，LBO晶体的有效SHG系数是KDP的3倍. 点群mm2的LBO晶体的非零非线性（光学）极化率 计算如下：表2. LBO晶体主要折射系数

d31=1.05±0.09pm/V

d32=-0.98±0.09pm/V

d33=0.05±0.006pm/V 表2. 主要折射系数波长（nm)nxnynz10641.56561.59051.60555321.57851.60651.62123551.5973 1.62861.6444

LBO的光损伤阈值是常用无机非线性光学晶体中最高的。因此，它是高功率二次谐波发生器和其他非线性光学应用的最佳选择。表3将LBO与其他常用晶体在1.3ns 1053nm Nd:YLF激光下的光损伤阈值进行了比较。

　　表3. LBO晶体1053nm光损伤阈值

　　晶体能量密度（J/cm2）及功率密度（GW/cm2) 比率

表3. 1053nm光损伤阈值

晶体

能量密度 (J/cm2)

功率密度（GW/cm2)

比率

KTPKDPBBOLBO

6.010.912.924.6

4.68.49.918.9

1.001.832.154.10

室温下LBO的SHG 及THG特性

　　LBO 可用于Nd:YAG和Nd:YLF激光二、三倍频的相位匹配，I类、II类匹配皆可。在室温下，二次谐波可达到I类匹配，在551nm至3000nm的较大波长范围内，最大的有效倍频系数在XY和XZ面上（见图1）为：

　　deff(I)=d32cosφ ----(in XY plane)deff(I)=d31cos2θ+d32sin2θ ----(in XZ plane)LBO晶体最佳II类匹配的有效倍频系数在YZ和XZ面上（见图1）为：

　　deff(II)=d31cosθ ----(in YZ plane)deff(II)=d31cos2θ+d32sin2θ ----(in XZ plane)

　　使用LBO的Nd:YAG激光在脉冲模式下获得的二次谐波转换率大于70%，三次谐波转换率大于60%，在连续模式下获得的二次谐波转换率大于30%。

　　LBO晶体应用：·　对2W锁模钛宝石激光（<2ps,82MHz）倍频可输出功率大于480mW的395nm波长激光，利用5x3x8 mm3 尺寸的LBO晶体可获得的波长范围在700-900nm。·　使用II类18mmLBO晶体的调Q Nd:YAG激光倍频可得到功率大于80W的绿色光。·　使用9mmLBO晶体的泵浦Nd:YLF激光（>500μJ @1047nm,<7ns,0-10KHz）倍频转换率大于40%。·　利用LBO晶体和频效应可获得187.7nm波长的真空紫外光。·　对调QNd:YAG激光进行腔内三倍频可获得输出脉冲能量2mJ的衍射极限光束。LBO晶体非临界相位匹配LBO晶体的非临界相位匹配具有无离散、接受角度宽、有效系数大的特点，充分利用这一特性可使LBO发挥最佳功效。使用LBO的Nd:YAG激光在脉冲模式下获得的二次谐波转换率大于70%，在连续模式下获得的二次谐波转换率大于30%，且光束质量好，输出稳定。

Table 4. 1064nm光 I 类NCPM SHG特性

NCPM 温度接受角离散角温度线宽有效SHG系数 148℃52 mrad-cm1/204℃-cm2.69d36(KDP)

如图2所示，室温下LBO晶体可在X轴和Z轴方向分别获得I类和II类非临界相位匹配。而且，NCPM频率有可能在X轴或Z轴方向上使波长同时加倍。

　　图2还给出了LBO晶体在900nm-1700nm较宽基波范围内的温度调谐NCPM测量结果。Nd:YAG1064nm激光NCPM SHG特性在表4列出.

　　LBO晶体防反射镀膜（增透膜）：> Nd:YAG激光倍频LBO双频反射镀膜（DBAR)> 低反射（1064nm波长 R<0.2%，532nm波长 R<0.5% )> 高光损伤阈值（双波段>500MW/cm2)> 功效长> 可调激光倍频LBO宽频防反射镀膜（BBAR)> 提供规格可定制的其他镀膜 LBO 品质保证规范·　波前畸变：小于λ/8 @ 633nm·　尺寸公差： (W±0.1mm)x(H±0.1mm)x(L+0.2/-0.1mm）·　通光孔径： 90% 中央直径·　50mW绿光检测无可见散射路径·　平面度：λ/8 @ 633nm·　划痕/Dig code: 10/5 to MIL-PRF-13830B·　平行度： 优于20 arc seconds·　垂直度： 5 arc minutes·　角度偏差：△θ≤0.25°，△φ≤±0.25°·　损伤阈值（GW/cm2): >10 for 1064nm,TEM00,10ns,10HZ (polished only) >1 for 1064nm,TEM00,10ns,10HZ (AR-coated) >0.5 for 532nm,TEM00,10ns,10HZ (AR-coated）·　品质保证期： 一年内正常使用。

KTP, KTiOPO4

磷酸钛氧钾(KTiOPO4,KTP)晶体是一种综合性能最为优异的非线性光学晶体材料之一,它具有大的非线性光学系数与电光系数，宽的透光波段，能在较宽波长范围内和室温下实现相位匹配、高的激光损伤阈值、高的能量转换效率、热稳定性优良,化学性质稳定，不潮解，机械强度适中，倍频转化效率高达70％以上等特性，是中小功率固体绿光激光器的最好倍频材料。正因为它具有这些优良性能，从而促成了KTP晶体广泛应用于激光倍频、和频和差频、光参量振荡、电光调制、Q开光、声光调制和建立在KTP单晶基础上的光波导器件。

KTP 应用范围

掺钕晶体激光器二倍频（SHG）获得绿光/红光输出

掺钕晶体等固体激光器混频（SFM）获得蓝光输出

OPG,OPA和OPO获得0.6um-4.5um范围内可调光

电光（E-O）调制，光学开关

光波导，制作周期性极化的KTP器件

Nd 激光器倍频、混频应用

KTP最常用于倍频Nd:YAG及其他掺Nd晶体的激光，特别是在绿光激光器中。到目前为止，利用KTP进行腔内与腔外倍频的掺Nd晶体的激光器，在逐步取代可见光染料激光和可调蓝宝石激光器。在许多的工业研究中，该种激光器被广泛用做绿光光源

* 由15W的二极管泵浦的0.5%Nd:YVO4与KTP晶体，可获得的8W 绿光输出

* 由1W的二极管泵浦的2% 3*3*1的Nd:YVO4与2*2*5的KTP晶体，可获得的180mW 绿光输出

* 由2W的二极管泵浦的1% 3*3*1的Nd:YVO4与2*2*5的KTP晶体，可获得的300mW 绿光输出

* 由3W的二极管泵浦的1% 3*3*2的Nd:YVO4与3*3*5的KTP晶体，可获得的500mW 绿光输出

到目前为止，KTP已成为腔外和腔内倍频Nd激光器使用的首选,其输出的绿色激光已应用在科研、医疗、工业及商业等应用领域。通过腔外KTP倍频，使用900mJ注入种子Q开关Nd ： YAG激光器可达到80%转换效率和能够输出700mJ绿光激光器。

特别适用于二极管泵浦Nd激光器， KTP的是可见固体激光器的一种基本非线性光学晶体。最近，腔内倍频的Nd:YVO4和Nd:YAG激光器已经应用于显示、制造业、光盘和激光打印机等领域。LD泵浦的Nd:YVO4和Nd:YAG激光器已能获得超过200mW TEM00模的绿激光，通过锁模技术，5.3W LD泵浦的Nd:YAG腔内倍频能够产生3W TEM00模绿激光。此外， 2.5mw绿光也能够通过腔内倍频50mW LD泵浦的Nd:YVO4小型激光器获得，其腔长仅为9mm。

KTP也是一种强大的从约1um至3.4um激光器倍频和混频晶体。该倍频相位匹配的角度和有效的倍频系数（ deff ）在 KTP的XY平面 （ 0.9um-1.08um）和XZ平面（ 1.1um-3.3um）如图所示 。虽然KTP在YZ平面（Type I）可相位匹配倍频为1um至3.45um，但由于极低的有效非线性系数（deff）而很少应用。

OPG (OPA、OPO）

由于KTP的二次谐波效应和光学参量放大性能，其在可调Nd离子激光器中的输出波长调节（从可见光--600nm，到中远红外--4500nm）中起到核心组件的作用。OPO / OPA认为泵浦在532 nm和1064 nm的相位匹配的角度和有效的非线性光学系数在XZ平面内，如下图显示。1064 nm泵浦OPO 用KTP的非临界相位匹配（NCPM）时，信号输出人眼安全波长范围，常应用在人眼安全装置中。OPO/ OPA在的XY和YZ面是很少使用的，因为他们很低有效非线性系数和其他限制。

KTP的OPO产生稳定、连续的飞秒输出，飞秒脉冲重复频率可达108 Hz，信号和闲频光的平均输出功率达到毫瓦量级。1064nm钕激光泵浦的 KTP OPO对从1064 到2120 nm的简并转换转化效率超过66%。

最近，通过钛宝石、翠绿宝石、Cr:LiSrAlF6等可调谐激光泵浦的非临界相位匹配（NCPM）的 KTP OPO/OPA新应用也得到发展， NCPM KTP OPO 保持 KTP X轴通光并调谐泵浦波长 。如果一个 钛宝石调谐激光作为泵浦源(0.7 um 到 1 um)，输出覆盖波长范围从1.04um 到 1.45 um (信号) 和从 2.15 um 到 3.2 um (空闲). 由于NCPM KTP有利的非线性特性，可获得转换效率45%的窄带宽和高光束质量的激光。

准相位匹配波导

最近，KTP的 II类倍频转换效率达到20%/W/cm2，在PPKTP中，半个周期产生的相位失配在另外半个周期中被反方向的相位失配所补偿。而且，I类准相位匹配扇形的KTP波导应用于波长0.76-0.96um的调谐钛宝石激光倍频和直接倍频半导体激光输出0.43-0.40um激光，已获得转化效率超过100%/W/cm2。

非临界相位匹配的OPO应用

Efficiency of KTP elements in OPO 1064 - 1570 nm

最近，非临界相位匹配（NCPM）的 KTP OPO/OPA新应用也得到发展， NCPM KTP OPO 保持 KTP X轴通光并调谐泵浦波长 。如果1064nm激光作为泵浦源，输出波长1.57 um (信号) 和3.3 um (空闲). 由于NCPM KTP有利的非线性特性，可获得转换效率45%的窄带宽和高光束质量的激光。

BBO（β-BaB2O4）

BBO 是一种非线性晶体，它具有其独特特性:

透明区域大

相位匹配范围大

非线性系数大

损坏阈值高

热吸收带宽宽

光学均匀性好

由于其优良性能，BBO具有各种不同的应用:

Nd:YAG 与 Nd:YLF 激光器的谐波发生（高达五次）

超短脉冲Ti:蓝宝石与染料激光器频率的倍频器或三倍频器

1型(ooe) 与 2型 (eoe) 相位匹配光学参量振荡器 (OPO)

氩离子与铜蒸汽激光器的倍频器

泡克耳斯盒电光晶体

BBO（偏硼酸钡）晶体

BBO晶体在非线性光学晶体中，是一种综合优势明显，性能良好的晶体，它有着极宽的透光范围，较大的相匹配角，较高的抗光损伤阈值、宽带的温度匹配以及优良的光学均匀性，特别是用于Nd:YAG激光器之三倍频有着广泛的应用。

BBO晶体的主要用途：

（1）用于1064nm Nd:YAG激光器之二倍频、三倍频、四倍频和五倍频。

（2）用于染料激光器和钛宝石激光器之二倍频、三倍频、和频、差频等。

（3）用于光学参量振荡、放大器等。

BBO晶体的主要性质：

化学式： β-BaB2O4

晶体构式： 三方晶系，3m点群。

晶胞参数： a=b=12.532 A c=12.717 A z=6

熔点： 1095±5 ° C

莫氏硬度： 4.5~5

密度： 3.85g/cm3

光学均匀性： △n≈10-6/cm

吸收系数： α＜0.001/cm@1064nm α＜0.01/cm@532nm

α＜0.5/cm@2550nm

热导率： ⊥C， k1=k2=1.2w/m/k，‖C, k3=1.6w/m/k。

BIBO

硼酸铋（BIBO）是一种新开发的非线性光学晶体。它具有较大的有效非线性光学系数，高损伤阈值及不易潮解等特性。其非线性光学系数大概是LBO的3.5~4倍，BBO的1.5~2倍，是一种可用来产生蓝光的优良倍频晶体

MgO:LiNbO3

与LiNbO3晶体相比，MgO:LiNbO3晶体因非临界位相匹配倍频（SHG）钕激光器，混合（SFG）和光学参量振荡器（OPOs）而具有独特的优势。MgO:LiNbO3 crystals具有pulsed Nd:YAG lasers 65%倍频效率和CW Nd:YAG lasers 45%倍频效率。MgO:LiNbO3分别在光学参量振荡器（OPOs）和放大器（OPAs）

准相位匹配倍频和集成波导方面也是很好的晶体。

CaF2

CaF2晶体具有优良的光学和热机械性能。在0.13μm~9.0μm光谱范围内，可以用做窗口、透镜和棱镜材料。由于其光学各向同性、低吸收和低折射率的特点，CaF2晶体在高功率激光和紫外激光光学领域显示出独特的优势。

MgF2