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1、1,EXIT,第七章 人工晶体-2,激光晶体,激光晶体是可将外界提供的能量通过光学谐振腔转化为在空间和时间上相干的具有高度平行性和单色性激光的晶体材料。是晶体激光器的工作物质。 激光晶体由发光中心和基质晶体两部分组成。大部分激光晶体的发光中心由激活离子构成，激活离子部分取代基质晶体中的阳离子形成掺杂型激光晶体。激活离子成为基质晶体组分的一部分时，则构成自激活激光晶体。,激光在产生过程中始终伴随着以下三种状态： a. 受激吸收（简称吸收）：处于较低能级的粒子在受到外界的激发，吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级。,E2,E1,自发辐射光子,自发辐射跃迁,b.自发辐射：粒子受到激发而进入的
2、激发态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级激发态（E2）向低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子。,受激吸收跃迁,E2,E1,E2,E1,入射光子,激光产生的原理,c. 受激辐射（激光）: 当频率为=（E2-E1）/h的光子入射时，会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子。,受激辐射跃迁,粒子数反转:要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数，这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数
3、反转分布，简称粒子数反转，实现粒子数反转是产生激光的必要条件。,E2,E1,入射光子,晶体腔：工作物质，谐振腔，激发源工作物质：使受激辐射成为介质中的主导过程，必要条件是在介质中造成离子数反转分布，即使介质激活。例如：掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）YAG激光晶体。 谐振腔：加强介质中的受激辐射，通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或凹球面反射镜构成。工作介质实现了粒子数反转后就能产生光放大。谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，把其它频率和方向的光加以抑制。激发源：要是工作物质成为激活态，需要外界激励作用。一般有光泵式，电激励式，化学式。,工作介质（YAG晶体）,光源泵,电源,
4、全反射镜,半反射镜,激光束,激光的产生过程可归纳为：,激光产生,工作物质,光子放大及振荡,其它粒子的受激辐射,偶然的自发辐射,粒子数反转,外界激励,光学谐振腔,红宝石激光晶体,最早实现激光输出的是：红宝石(Al2O3：Cr3+)激光器。第一台激光器为梅曼1960年发明，激光波长693.4nm，其中用红宝石直径1cm，长2cm，端面镀银，其中一面留有小孔，以通用公司用于航空拍摄的螺旋形闪光灯激发。,红宝石激光晶体,红宝石激光晶体为掺铬Cr的Al2O3 其中基质材料Al2O3 刚玉 激活离子 Cr3+离子 （Cr2O3重量比 0.05%） 红宝石的光谱特性主要取决于Cr3+，外层电子为3d3。,红
5、宝石激光晶体,吸收紫蓝光和黄绿光，峰值波长在0.41m附近的称为蓝带;峰值波长在0.55m附近的称为绿带。这两个吸收谱带,吸收带宽均约0.1um左右，比较宽。在入射光的振动方向与晶体光轴C相垂直或平行这两种情况下,其吸收曲线略有差别。,吸收带,亚稳态：3ms,基态,无辐射快速跃迁,激光跃迁,红宝石激光晶体能级图,优点: 机械强度高,能承受很高的激光功率密度; 容易生长成较大尺寸; 红宝石激光器输出的红光(0.6943um),不仅能为人眼可见,而且很容易被探测接收(目前大多数光电元件对红光的感应灵敏度较高)。 亚稳态寿命长,储能大,可得到大能量输出，单级调Q器件很容易得到几十兆瓦的峰值功率输出(
6、脉冲输出）。缺点：阈值高(三能级)温度敏感，不适合连续工作。,红宝石激光晶体,12,按组成分类有：1.掺杂型激光晶体：在基质晶体中掺入激活离子，以它作为“发光中心”。它可决定激光发射的波长，基质晶体作为“载体”，为其提供合适的“晶格场”。常用的激活离子：a、过渡金属离子：(Cr3+) b、二、三价稀土离子：Nd3+、Dy2+ C、锕系离子：U3+输 出 波 长：紫外(0.17m)-中红外(5.15m) 如：红宝石(A1203：Cr3+) 钛宝石(A1203：Ti3+) 掺钕钇铝石榴石(YAG：Nd3+),常用激光晶体,13,2.自激活激光晶体：这种晶体的激发离子就是晶体本身的组成之一。可用来制
7、作高效率、低阀值、小功率的微型激光器。如:a.四磷酸锂(LiP4012) b.五磷酸钕(NdP504) c.四硼酸铝Al(B03)4 d.钨酸钕钠NaNd5(W04)4,常用激光晶体,14,按发出激光波长范围分有： 【1】发射单一频率的激光晶体(固定频率)： 如：YAG：Nd3+(1.06m).A1203：Cr3+(6943) 【2】发射波长在一定范围内连续可调的晶体： 如：A1203：Ti3+ (066-1.07m) 用途：因其具有高方向性，高单色性，高相干性等特点，而 广为应用。 如： A：工业：材料加工(打孔、焊接、切割)。 B：自然科学：激光光谱学、研究物质结构、固体物理、 电视、雷达
8、。 C：医疗：眼科、外科、防治肿瘤。 D：军事：激光测距、激光制导、激光炮、激光枪等。,常用激光晶体,钛宝石晶体:有的激光晶体发射激光的波长是可以由人们调节的,我们称之为可调谐激光晶体。其典型代表为掺钛蓝宝石(Ti：Al2O3)晶体，它是掺有三价钛离子的氧化铝单晶，呈红色，属六角晶系。其物理化学性质与红宝石相似，稳定性好，热导率为Nd：YAG的3倍，熔点高(2050 )，硬度大(9级)，折射率为1.76。,常用激光晶体,掺钕的钇铝石榴石（Y3Al3O12简称Nd：YAG）出现于70年代，它的的出现使得固体激光器真正开始大力发展，并实现商业化。该晶体属立方晶系、各向同性，有热导率高、易获得大尺寸
9、高质量晶体、机械性能良好等优点，因而成为当前科研、工业、医学和军事应用中最重要的固体激光器。 在这种晶体中掺入不同激活离子可以获得不同波长和特点的激光；通过非线性晶体的变频，又使激光器的波段进一步扩展。目前Nd:YAG晶体已工业生产，有数以亿美元为计算单位的市场。特别是在高功率连续和高平均功率固态激光器方面，由其制成的激光器正向千瓦，万瓦级方向发展。,掺钕的YAG晶体,常用激光晶体,通过基质晶体中阳离子置换形成的Nd：GGG晶体，与Nd：YAG比较具有如下优点： (1)GGG晶体容易在平坦固液界面下生长，不存在杂质、应力等集中的核心，整个截面都可有效利用，由此容易得到应用于大功率激光器的大尺寸
10、板条GGG。同时,GGG有较宽的相均匀性，可在较高拉速下(5mm/h)生长大尺寸、光学均匀性好的晶体。(2)GGG中的Nd3+分凝系数为0.52，故Nd3+在GGG中易实现高掺杂，有利于提高泵浦效率，这在大功率情形下是非常重要的。而Nd在YAG中的分凝系数仅为0.10.2，很难得到质量可用且浓度高的Nd：YAG。(3)Nd取代Gd3+属同态取代，Nd3+的激光上能级没有显著的发光猝灭。,掺钕的钆镓石榴石晶体,常用激光晶体,钒酸钇（Yb：YVO4）晶体是近年来发展甚快的激光晶体，为四方晶系，Yb:YVO4晶体特别适用于半导体二极管泵浦，是中小功率全固态激光器的首选晶体，已在全球形成新的市场。,掺
11、镱的钒酸钇晶体,常用激光晶体,掺钕的三硼酸钙氧钇（Nd：YCOB）属于三硼酸钙氧稀土(ReCa4O(BO3)3)族晶体，空间群为Cm，该晶体具有较大的双折射率，对Nd：YAG激光可实现三倍频，同时有望成为小型化三基色激光器件开发的重要晶体材料。,掺钕的YCOB晶体,常用激光晶体,闪烁晶体,当射线(X射线、伽马射线)或放射性粒子通过某些晶体时，因射线或粒子的激发，该晶体会发出荧光脉冲(闪烁)，此即为闪烁晶体。 闪烁晶体发出的荧光是透明的，如果将闪烁晶体与光电倍增管耦合，即可制成晶体闪烁计数器。,闪烁晶体,闪烁晶体应具备的特性：密度较大对带电粒子阻止本领大对射线有很高的吸收系数发光频率高发光强度与
12、入射线的能量有良好的线形关系荧光衰减快产生的荧光透明性好,闪烁晶体,常用的闪烁晶体：(1)碘化钠(NaI：Tl)：1948 年Hoftdater 制备，是最早的闪烁晶体碘化钠（NaI）晶体是属于立方晶系，为典型的离子晶体,激活剂Tl对晶体的作用,范新维尔（W.Van Sciver）曾用紫外光，射线，射线作为激发源，在从-190至-20温度范围内测量晶体的发射光谱。,激活剂Tl对晶体的作用,激活剂Tl对晶体的作用,（1）NaI(10（-6）Tl) 在含有10-6Tl的晶体中以4300 为中心的发光带的强度大大的增加了，而3100 发光带的强度减少至纯NaI的10%，与图二相比较。（2）NaI(1
13、0-3Tl)范新维尔发现在室温下用射线与射线激发，所测得的发射光谱的形状是相同的，发光带的中心在4200A附近。随着温度降低，谱线的峰值增大，且峰向长波长的方向移动。测得的闪光延续时间接近于0.25微秒。,激活剂Tl对晶体的作用,其他常用的闪烁晶体有: 碘化铯( CsI：Tl),氟化钡( BaF2 ), 锗酸铋( Bi4Ge3O12 ), 钨酸铅( PbWO4 ),铝酸钇( YAlO3 ：Ce) 等。,氟化钡,氟化镧,稀土氟化物：氟化铈(CeF3)，氟化镧(LaF3)稀土氯化物： 氯化镧(LaCl3)，氯化镥(LuCl3)稀土溴化物： 溴化镥(LuBr3)，溴化钆(GdBr3)，溴化镧(LaB
14、r3)稀土碘化物： 碘化镥(LuI3)锗(硅) 酸盐： 锗酸铋晶体( B i4Ge3O12, BGO )钨酸盐: PbWO4, GdWO4,CaWO4铝酸盐: lO3 ( L nAP, 畸变的钙钛矿结构)和Ln3A l5O12 ( L nAG, 石榴石结构),部分闪烁晶体及其主要性能参数,闪烁晶体的应用,1、核医学成像：锗酸铋晶体( Bi4Ge3O12, BGO )2、高能物理探测由于高能物理实验的前沿之一将是研究更高能量（TeV级甚至更高）的辐射，装置很大，需要晶体数量很多，因而要求闪烁晶体不仅具有高密度（7g/cm）、快衰减（1550ns）和高抗辐照（1TeV）等特性外，而且价格低廉。对光
15、产额要求，相对较低。对这类闪烁晶体的研究和开发难度很大，特别具有挑战性。目前有价值的材料主要集中在掺Ce的稀土硅（铝）酸盐上3、工业CT：CaWO4较为受欢迎。此外还有高光产额且不易开裂的闪烁晶体，如CsI:Tl晶体。,声光衍射,声光效应就是研究光通过声波扰动的介质时发生散射或衍射的现象。当物质受到弹性应力或应变作用时，介质的折射率发生变化，这种由于应力使折射率发生变化的现象称为弹光效应由于弹光效应，当超声纵波以行波形式在介质中传播时会使介质折射率产生正弦或余弦规律变化，并随超声波一起传播，当激光通过此介质时，就会发生光的衍射，即声光衍射。,声光衍射拉曼-纳斯衍射,声光衍射布拉格衍射,声光衍射
16、的应用,声光衍射应用,优点：任何物质（包括均质体、气体和液体）都具有声光效应，故声光器件不受晶体的限制，器件所需的驱动功率较低（只有1-2W）。缺点：声光器件是通过压电换能器将信号施于声光介质，以在介质中激励超声弹性波，因而声光器件在响应速度、信息容量和调制带宽等方面有它的局限性。,声光晶体,声音是一种机械波，当超声波在晶体中传播时，晶体内产生弹性应力，使晶体折射率发生周期性变化形成超声光栅，光通过形成超声光栅的晶体时，将产生声光的相互作用，因此声光效应也是一种弹光效应，具有声光效应的晶体就是声光晶体。,声光晶体,声光晶体的最大特点是光学和声学的各向异性。由于各向异性使声光晶体在声光效应中具有
17、反常布拉格衍射效应，从而开发出宽带、快速的反常布拉格衍射声光调制器和声光滤波器。声光晶体的各向异性，又使其可能在某些方向获得很小的声速和高的品质因子。此外，晶格的长程有序排列，又使声光晶体一般具有较小的声损耗，从而可以增大声光器件的带宽。,声光晶体的分类,方晶类声光晶体光学单轴声光晶体光学双轴声光晶体半导体声光晶体,方晶类声光晶体,这类晶体一般有比较成熟的生长工艺，易于获得较大尺寸的单晶。其弹光系数不大，品质因子也较低，但能获得很低的声损耗，因而可以制作宽带的声光器件。这类晶体在X光或紫外光照射下易于产生色心，因而不能用于短波长波段。这类晶体有43m点群的钇铝石榴石 (YAG)晶体、23群的硅
18、酸钴(BSO)和锗酸钴(BGO)晶体。,方晶类声光晶体,掺钕钇铝石榴石晶体,光学单轴声光晶体,这类晶体目前可见波段声光材料中性能较好的晶体。主要有三方晶系的铌酸铅(LN)，四方晶系的铟酸铅（PM），氧化碲(TeO2)和氯化汞(HgCl2)，以及六方晶系的蓝宝石。这类晶体比较容易生长，但不易获得太大的尺寸。其中四方晶系的 PM和TeO2因为有较大弹光系数及高的折射率，因而有很高的品质因子，是应用最广的声光晶体。,光学双轴声光晶体,这类晶体对称性较低，因而有强的各向异性。这提供了优化器件的较大自由度，但也给器件设计和应用带来许多不便。此外，低的对称性使晶体生长较困难。其典型晶体是正交晶系的碘酸(a
19、一HIO3),它各方向的品质因子差别很大，从而提供多种器件设计方案，但其晶体光学质量太差，限制了它的应用。溴化铅(PbBr2)是透过波段包括可见到中红外的优秀声光晶体，具有很高的声光品质因子，晶体质量也较好，目前正在研究开发中。,半导体类声光晶体,这类晶体透过波段深入到红外，是在红外波段应用的主要声光晶体。其折射率大，弹光系数也较大，因而品质因子是所有声光材料中最高的。但由于半导体材料的声损耗较大，因而带宽并不太高。属于这类晶体的有三方的硫化砷铂(TAS)和硫化砷银 (Ag3AsS3)，它们被认为是目前最好的红外声光材料。 立方的碲(Te)和锗(Ge)单晶也是红外波段常用的声光材料。,声光晶体
20、的应用,声光调制器声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程, 调制信号是以电信号(调幅)的形式作用于电声换能器上, 当光波通过声光介质时, 光载波受到调制而成“携带”信息的调制波。,声光调制器,声光晶体的应用,目前，声光晶体还广泛地应用于光电子技代光学和激光技术中主要用作Q开关、光强度调制器、光位相调制器、光术、激光技术、光信息处理技术等领域，以及用于研究物质的弹性性质、束偏转器、激光锁模以及大屏幕显示的靶面等。,光学窗口晶体,主要指那些用于光学回路中的晶体。主要用于光学仪器中的透过窗口、棱镜、透镜、滤光和偏光元件及相位补偿镜等，在光学回路中主要用在光的发射、处理和接收部分。
21、另一类值得注意的光学窗口晶体是近年来发展的纤维晶体和光波导用晶体，在光学回路中重要用在光的传输、变换和分支等。,光学窗口晶体,不过在上述所有的应用方面，主要还是有光学玻璃和玻璃纤维所占领。光学窗口晶体只是在玻璃力不能及的边缘地区或特殊场合才能找到其用武之地。比如应用于高速飞行物的窗口或防弹窗口等场合时，就要求窗口材料透过波段范围宽、熔点高、导热好以及机械强度高，在这些领域玻璃通常达不到要求，于是人们就选用光学窗口晶体。,光学窗口晶体,此类主要有金属卤化物晶体，特别是氟化物晶体以及高温氧化物晶体。如用于紫外透过材料的氟化镁晶体、红外透过材料的氟化钙晶体、氟化钡晶体等。某些半导体材料如GaAs、Z
22、nS及ZnSe等，也是中红外的优良透过材料，这类化合物机械强度高，不潮解，是高功率CO2激光的优良输出窗口材料，缺点是表面反射大，透过率受到限制。在氧化物窗口材料中，最重要的是SiO2晶体和Al2O3晶体。这些材料不仅能承受高、低温度的激烈变化，而且有很强的抗冲击能力，因此经常用于空间技术领域、通讯导航设备以及传感器。,金属卤化物晶体,作为光学晶体，氟化物晶体有较宽的透射光谱，其透光范围从远紫外直到中红外。 LiF和MgF2是优良的紫外透过材料。LiF透射波长0.116.5um，反射损耗小，是优良的紫外窗口材料，同时又是X光荧光的分光材料。MgF2是另一种优良的紫外透射材料、它的机械强度高，几
23、乎不溶于水，可谓氟化物族中之佼佼者，但晶体易解理，难于生长。在红外波段，直到10um之内，简直是氟化物的天下，主要的晶体有CaF2、BaF2晶体。,氟化铈晶体,高温氧化物晶体,氧化铝晶体是最重要的氧化物窗口材料，它的熔点高(2050)、机械强度高、硬度仅次于金刚石。导热性好，物理化学性质稳定。在一些特定的环境中，如空间技术、诸于导弹、卫星和超音速飞机等，在高速飞行时，要求窗口材料能经受大气摩擦、尘埃的袭击等。窗口材料必须能承受耐高、低温的激烈变化，而且要有很强的抗冲击能力。氧化铝晶体往往能满足上述要求。,蓝宝石晶体,磁光晶体,人类对光磁的关系的认识，是从晶体的自然旋光性现象开始的，阿喇戈发现的
24、偏振光通过石英晶体的旋转现象和法拉第发现的电磁旋转现象是一组类似的现象。后来经过一系列的实验与实践，磁光材料被开始应用于器件的制作，磁光晶体也在其中逐渐发现并加以应用。晶体在外磁场的作用下，线偏振光通过该晶体时光的偏振面发生旋转的现象称为法拉第效应，此种晶体称为磁旋光晶体，简称磁光晶体。,法拉第效应,1845 年法拉第（Michal Faraday）发现玻璃在强磁场的作用下具有旋光性，加在玻璃棒上的磁场引起了平行于磁场方向传播的线偏振光偏振面的旋转。此现象被称为法拉第效应。也称磁致旋光，将物质放在磁场中时，出现旋光性的现象。偏振面的旋转角与磁场强度和光在物质中传播的距离成正比。,法拉第效应,近
25、几年各种磁光晶体材料的研发以及数据,磁光晶体材料的应用领域,磁光晶体材料具有较大的纯法拉第效应，使用波长的吸收系数低，磁化强度和磁导率高。主要应用于制作光隔离器、光非互易元件、磁光存储器及磁光调制器、光纤通信与集成光学器件、计算机存储、逻辑运算和传输功能、磁光显示、磁光记录、微波新型器件、激光陀螺等。,基于磁光晶体材料的器件,1、光隔离器 光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件，其工作原理是基于法拉第旋转的非互易性。通过光纤回波发射的光能够被光隔离器很好的隔离。光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。 光隔离器的特性是：正向插入损耗低，反向隔离度高，回波损耗高。光隔离器是允许光向一个方向通过
26、而阻止向相反方向通过的无源器件，作用是对光的方向进行限制，使光只能单方向传输，通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离，提高光波传输效率。,2、光纤电流传感器：随着光纤技术和材料科学的发展而发展起来的光纤电流传感系统，因具有很好的绝缘性和抗干扰能力，较高的测量精度，容易小型化，没有潜在的爆炸危险等一系列优越性，而受到人们的广泛重视光纤电流传感器的主要原理是利用磁光晶体的法拉第效应，通过对法拉第旋转角0F的测量，可得到电流所产生的磁场强度，从而可以计算出电流大小其工作原理如下图： 光纤电流传感器示意图,光致折变晶体,也叫自显影晶体，在光的照射下，这种材料可使自身的折射率发生变化，因而可作为光
27、学信息的存储介质。它在高能量的光学存储器（体全息存储器），实时信息处理，全息光学，相干光放大，集成光学以及自适应光学系统中有着各种各样潜在的应用。,常见的光折变晶体有：钙钛矿结构的钛酸钡（BaTiO3），铌酸钾（KNbO3）和钽铌酸钾（KTN）钨青铜结构的铌酸钡钠（BNN）、铌酸锶钡（SBN）和钾钠铌酸锶钡（KNSBN）。,铌酸锶钡晶体,光致折变晶体,非线性晶体,一般来讲，光线通过介质时， 会发生入射、反射、折射等线性光学现象，但是激光的光强极强，其相干电磁场的功率密度可以达到每平方厘米1012瓦，相应电场强度可以和原子的库伦场强相比较。因此，当激光通过介质时，物质的内部极化率的非线性响应会对
28、光波产生反作用，可能产生入射光波在和频、差频处的谐波。这种与强光有关的，不同于线性光学现象的效应称作非线性效应，具有非线性光学效应的晶体称为非线性光学晶体。,非线性晶体,光的频率转换是最基本和最重要的非线性光学效应之一。可以利用非线性光学材料将一固定频率的激光通过倍频、和频、差频或光学参量放大等过程转变为不同频率的各种激光，从理论上来说，可以获得从红外到紫外、远红外乃至亚毫米波段的特定频率或可调频率的激光，而其实现则完全取决于非线性光学材料的发展。目前，研究人员不断发展新材料和新技术，扩展激光波段，为现代经济社会发展及科学技术提供了丰富多彩的激光光源。,KDP晶体,磷酸二氢钾(KDP)晶体是一
29、种最早受到人们重视的功能晶体，人工生长KDP晶体已有半个多世纪的历史，是经久不衰的水溶性晶体之一。KDP晶体的透光波段为178nm1.45um，是负光性单轴晶，其非线性光学系数d36（1.064um）=0.39pm/V，常常作为标准来比较其他晶体非线性效应的大小，可以实现类和类位相匹配，并且可以通过温度调谐来实现非临界位相匹配(包括四倍频和和频)。,大尺寸KDP晶体,KTP晶体,磷酸钛氧钾(KTP)晶体是一种具有优良的非线性光学性质、已得到了广泛重视和应用的非线性光学晶体。 KTP晶体是正光性双晶，其透光波段为350nm4.5um，可以实现1.064um钕离子激光及其他波段激光倍频、和频、光参
30、量振荡的位相匹配(一般采用类位相匹配)。其非线性系数d31、d32、d33分别为1.4、2.65和10.7pm/V，d33是KDP晶体d36的20余倍。KTP晶体有较高的抗光损伤阈值，可以用于中功率激光倍频等。KTP晶体有良好的机械性质和理化性质，不溶于水及有机溶剂，不潮解，熔点约1150，在熔化时有部分分解，该晶体还有很大的温度和角度宽容度。 KTP晶体作为频率转换材料已经广泛应用于科研、技术等各个领域，特别是作为中小功率倍频的最佳晶体。该晶体制成的倍频器及光参量放大器等已应用于全固态可调谐激光光源。,偏硼酸钡(BBO)晶体是我国所研制并获得广泛应用的紫外非线性晶体。硼酸钡有二相，高温相和低
31、温相，一般所称BBO为相，即低温相，其透过波段为189nm3.5um，负光性单轴晶，具有大的双折射率和相当小的色散。位相匹配波段为0.2051.50um，可实现Nd：YAG的倍频、三倍频、四倍频及和频等，并可实现红宝石激光器、氩离子激光器、染料激光器的倍频，产生最短为213nm的紫外光。其非线性光学系数d11为KDPd36的4.1倍，具有良好的机械性质、很高的抗光伤阈值和宽的温度接收角，并有较大的电光系数。 BBO晶体主要用于各种激光器的频率转换，包括制作各种倍频器和光学参量振荡器，是目前使用最为广泛的紫外倍频晶体，已开辟了许多实际应用，成为最早具有广阔市场的非线性光学晶体高技术产品。,偏硼酸
32、钡(BBO)晶体,有机非线性光学晶体,有机晶体种类繁多。由于有机分子具有可裁剪的性质，便于进行分子设计、合成、生长新型有机晶体。因此，有机晶体是当代研究非线性光学晶体材料一个新的广阔领域。 自20世纪60年代以来，伴随着非线性光学晶体材料的发展，由于有机晶体的非线性光学系数常常比无机晶体的要大12个数量级，且光学均匀性优良，生长设备简便，并易于采用常温溶液法生长出优质晶体等，因此人们企图将这种晶体用于Nd：YAG激光倍频。但在大多数研究过的有机晶体中，由于有机晶体质软，机械强度不够，通常给那些需要抛光的光学器件带来困难，加上在氧气和水蒸汽的环境条件下，化学稳定性差，要求严格的封装，而且熔点较低
33、，基于存在着上述原因，有机晶体始终未能在大中功率Nd：YAG激光倍频等方面得到应用。,掺砷酸硫酸三甘氨酸晶体,人工宝石,人工宝石是指完全或部分由人工生产或制造，用作首饰及装饰品的材料。它又分为合成宝石和人造宝石，它们的主要区别：在于合成宝石在自然界有已知的存在物，而人工宝石没有。我们常见的合成宝石有人工合成的祖母绿、红宝石、星光红宝石、蓝宝石、星光蓝宝石、各种颜色的水晶、尖晶石、金红石、金绿猫眼、金刚石等。人造宝石主要用于代替或仿造某种类型的天然宝石，如人造钛酸锶、人造钇铝榴石(YAG)、人造钇镓榴石(GGG)等以其高色散的特性，常用于仿钻石。 下面是人工水晶和人造红宝石的图片。,人造红宝石,
34、人造蓝宝石,蓝宝石（Sapphire）的矿物名称为刚玉，属刚玉族矿物。目前宝石界将红宝石之外，其余各色宝石级刚玉统称为蓝宝石。 其化学成分为三氧化二铝（Al2O3），因含微量元素钛（Ti4+）或铁（Fe2+）而呈蓝色。在一定的条件下，可以产生美丽的六射星光，被称为“星光蓝宝石”，是人们喜爱的珍贵宝石之一。对于人工方法合成蓝宝石得探索从很早就已经开始。从最初的熔焰法制备蓝宝石，到现在普遍采用的提拉法生长，人工合成的蓝宝石的造价已经十分低廉。人工蓝宝石相比于天然蓝宝石，色泽更加艳丽纯净，晶型完整，而且可以根据需要设计合适的颜色与晶型。除了作为人工宝石制作首饰外，最重要的功能是作为晶体器件和薄膜制备
35、的衬底。,人造蓝宝石,人工水晶,水晶是一种无色透明的大型石英结晶体矿物。它的主要化学成份是二氧化硅，跟普通砂子是“同一娘胎”。由于混入不同的金属离子而呈多种颜色。紫色和绿色是由铁(Fe2+)离子致色，紫色也可由钛(Ti4+)所致，其他颜色由色心所致色。这些多彩的水晶有很高的观赏性，很受人们的喜爱，许多种类被作为如纯洁等的象征物。 由于水晶的优异的压电性能，在近代电子和通讯领域有着大量的、不可替代的应用，因此，水晶的人工生长制备已经形成一个庞大的产业。,人工水晶,我国的人工晶体发展和主要成就,我们国家的人工晶体起步较晚，但自新中国成立以来，尤其是改革开放以后，我国广大科技工作者经过多年的艰辛研究
36、与开发，在人工晶体各个研究领域取得了令世界同行瞩目的成绩，并发现了一大批具有中国自主知识产权的人工晶体，这些晶体在国际上被誉为“中国牌人工晶体”。它们中有居于国际先进水平的激光晶体：YAG晶体、Ti：Al2O3、YVO4、LiSAF；非线性光学晶体：KTP、KN、BBO、KDP、LBO、CBO；红外光学晶体：CaF2、MgF2；闪烁晶体：BGO、CsI晶体等。 同时人工晶体已经或正在形成产业，例如我国的超硬材料人造金刚石，总产量已经居于世界第一；宝石晶体立方氧化锆也成为世界最大生产国。人造水晶、铌酸锂、钽酸锂、钒酸钇等晶体液逐渐形成较大规模的生产。并涌现了一大批集开发和生产为一体的高科技公司，
37、如北京烁光特晶公司、北京天地东方超硬材料公司、上海嘉铺公司、合肥科晶公司、福建福晶科技有限公司、大连淡宁光电技术公司等，大大推动了技术的进步，并取得了良好的经济效益和社会效益。,中国首次发现的人工晶体,自从改革开放以来，我国晶体界以中科院福建物质结构研究所陈创天院士为首的科学家群体通过阴离子基团理论的计算结合长期晶体生长的实践，相继发现了一大批非线性光学晶体。这些晶体包括BBO晶体、LBO晶体、CBO晶体、KBBF晶体、SBBO晶体、KABO晶体等，它们中的多数在非线性光学应用中具有举足轻重的地位。,LBO晶体,KBBF晶体,CBO晶体,KBBF晶体,KBBF晶体透过范围为0.1553.66u
38、m，比重为2.40g/cm3，负光性单轴晶，是目前已知晶体中深紫外吸收边波长最短的晶体。有非常严重的解理性质，解理面为（001）面。该晶体有二个非线性光学系数d11和d14，其中d14=0.76pm/V，可与KDP相比，并可实现位相匹配，其光损伤阈值高（75GW/cm2），适于实现短波长激光输出，是当前唯一可能实现Nd：YAG1.064um激光6倍频的晶体，也是超短脉冲高功率全固态激光器实现短波长的理想材料。 KBBF晶体由于其层状特性，生长十分困难，利用熔盐法生长该晶体可获得厚度大于1mm的大片单晶，采用棱镜耦合法已经实现了200nm以下（如163.4nm）的激光频率转换，1.064um激光
39、6倍频的实现取决于适当的光源及其它条件。在克服晶体生长困难后，这种晶体的应用前景十分广泛。,KBBF晶体耦合棱镜,KBBF晶体器件,KBBF晶体结构,KBBF晶胞结构,LAP晶体,L-磷酸精氨酸(LAP)晶体是我国首先发现的有国际影响的有机盐非线性光学晶体。它属于单斜晶系，为负光性双轴晶，点群C2-2，空间群P21，晶体密度1.53g/cm3，莫氏硬度2.7。透过波段为250nm1.3um，可实现1.064um激光倍频的、类位相匹配，并能实现四倍频，其非线性系数d21为KDP晶体d36的2.14倍，并有非常高的抗光伤阈值。 LAP晶体采用水溶液缓慢降温或蒸发法生长，可获得优质大单晶。这是一种优
40、良的有机紫外频率转换材料，有人认为它是用于激光核聚变的候选材料之一。,BBO晶体,偏硼酸钡(BBO)晶体是中国发现的重要的非线性光学晶体。 BBO晶体采用高温溶液法或高温溶液提拉法生长。溶剂的选择对晶体生长有极其重要的影响。一般加入Na2O作生长晶体溶剂，容易获得大尺寸、高光学质量的透明单晶。BBO晶体主要用于各种激光器的频率转换，包括制作各种倍频器和光学参量振荡器，是目前使用最为广泛的紫外倍频晶体，已开辟了许多实际应用，成为最早具有广阔市场的非线性光学晶体高技术产品。,LBO晶体,偏硼酸锂(LBO)晶体是目前在紫外倍频应用十分广泛的晶体，它是应用阴离子基团理论计算与晶体生长相结合成功发现新晶
41、体的一个实例。 LBO晶体透光波段为160nm2.6um，是负光性双轴晶，双折射率n=106，对于Nd:YAG激光倍频、三倍频可实现类和类位相匹配，其有效倍频系数为DKP晶体d36的三倍，该晶体利用温度调谐（TPM=112）可实现非临界位相匹配。LBO晶体有很高的抗光伤阈值，有良好的化学稳定性和抗潮性，硬度适中（莫氏硬度67），便于加工抛磨、镀膜。由于LBO晶体具有短的紫外吸收边，宽透光波仙、高光学均匀性，大的有效倍频系数和角度带宽，小的离散色，高抗光操作阈值和优良的物化性质，所以被广泛应用于高功率倍频、三倍频、四倍频及和频、差频等领域。其次，它在参量振荡，参量放大，光波导及电光效应方面也有良
42、好的应用前景。LBO晶体一般采用熔盐(高温溶液)法生长，可以稳定生长出较大尺寸具有优异光学质量的块状晶体。,CBO晶体,偏硼酸铯(CBO)晶体也是在LiB3O5-CsB3O5混晶体系中发现的具有固定化学配比的非线性光学晶体。 CBO晶体具有四方点群结构，密度3.357g/cm，为负双轴晶，其透过波段为0.167310um，其非线性系数d14(1.064um)为1.08pm/V，与LBO晶体相近，双折射率适中，可实现1.064um的倍频、三倍频、四倍频乃至五倍频的位相匹配，抗光损伤阈值较高。此外，该晶体可以采用提拉法生长，可在较短时间内获得较大尺寸晶体。,用来三倍频的CBO晶体器件,CBO晶体,
43、SBBO晶体,硼酸铍锶晶体（SBBO晶体）是陈创天院士等为了解决KBBF晶体的块体生长困难而做的改进，目的是想用氧离子替代氟离子，以改变KBBF晶体的层状生长特性。此晶体采用顶部籽晶溶剂法生长，其物理特性相似于KBBF晶体，SHG最短波长小于200nm，有很好的应用前景。,KABO晶体,硼酸铝钾晶体（KABO）是1998年中科院福建物质结构研究所的陈创天院士等和Sasaki等同时报道发现的，该晶体原料多为高温固相反应合成，采用助熔剂法生长。KABO晶体是一种能用于紫外区的激光倍频晶体，紫外吸收边为180nm，它是Nd：YAG激光实现四倍频、五倍频输出的较理想的晶体材料。,KABO-001籽晶方
44、向生长KABO晶体,KABO-110籽晶方向生长KABO晶体,KABO晶体结构,KABO晶体生长炉,中国率先开发的人工晶体,BGO晶体和KTP晶体都是由国外的科研人员首先发现的，但是由于生长方法的限制，晶体的质量一直得不到提高，更不用说生长大尺寸的晶体。然而经过中国科技工作者不懈的努力，通过改变晶体生长的方法和工艺，得以大规模地生长，使这两种如“旧时王谢堂前燕”的晶体，“飞入寻常百姓家”成为可能。,KTP晶体,RTP晶体,BGO晶体,BGO晶体,锗酸铋(BGO)晶体是立方结构的无色透明晶体，它是一种新型的闪烁晶体。在高能粒子或高能射线()激发下能发出峰值为480nm波长的绿色荧光，利用其闪烁性
45、能可以探测高能粒子和射线。西欧核子研究中心(CERN)、美国康奈尔大学威尔逊实验室(CESR)、中国科学院高能物理研究所等已成功地将BGO用于建造正负电子对撞机的电磁量能器。 近年来的研究表明，它不仅是一种闪烁材料，而且掺杂后还具有良好的激光、磁光、电光性能。我国中国科学院的上海硅酸盐研究所采用下降法、工业规模生长BGO的研究获得成功，在1983年9月在日内瓦举行的国际评比会议上，其荧光效率、能量分辨率、光衰减3个主要性能指标均获第一，为国家争得了荣誉和创造了大量的外汇。,KTP晶体,磷酸钛氧钾(KTP)晶体是美国发现的，最初只在实验室里采用水热法生长。采用水热法生长KTP时以TiO2为营养料
46、，以一水磷酸钾熔融物来输运。此外，也可以采用熔盐法生长，采用熔盐法时一般采用自熔剂体系，而生长KTP同系物时则可以采用钨酸盐作熔剂。两种方法均能获得光学质量十分均匀的大尺寸单晶。 我国在20世纪80年代初期开始研制该晶体，在熔盐法生长方面作出重大贡献，对KTP晶体的实用化起了重大的推动作用，近年在提高其均匀性和抗光伤阈值方面作了大量的工作，取得了重大进展。,中国之星MgO：LiNbO3晶体,由于铌酸锂晶体是一种多功能材料，具有很大的实用价值。因此，生长大尺寸的晶体成了各国争相研究的热点。 但是，应用LiNbO3晶体对Nd:YAG激光进行倍频时，由于光折变效应的存在，大大降低了它的抗光伤阈值。为
47、了克服这一问题，我国的科研人员分别对其进行了掺杂研究，并取得了重大的进展。得出掺铁后的铌酸锂晶体，其光折变性能比纯铌酸锂提高500倍，并能储存多个全息图，从而成为一种重要的激光全息照相用记录材料；高掺杂MgO（MgO掺杂浓度大于5mol%）铌酸锂晶体与纯铌酸锂晶体相比，其抗光损伤能力提高两个数量级。从而使其被国际同行誉为“中国之星”。,掺镁的铌酸锂晶体,中国在世界上领先的人工晶体,目前，中国的人工晶体行业在国际上基本上处于前列。中国是世界上最大的人造金刚石出产国，中国的水晶产量也占世界前列。中国的高性能、高品质的先进晶体研究，特别是非线性光学晶体等领域的理论和生长工艺，也有许多处于领先的地位，
48、比如，中国的KBBF晶体等晶体的生长技术和理论研究处于世界前列。,LGS晶体,硅酸镓镧(LGS)晶体最早是由前苏联科学家作为激光晶体进行研究报道的。90年代起，美国军事研究实验室的科学家认为LGS晶体是一种具有较大应用潜力的优良SAW基片材料。于是，世界各国学者将LGS晶体作为一种新型的压电晶体材料，掀起了新一轮的LGS晶体的研究热潮。 我国对LGS晶体研究较多的科研单位主要有四川压电与声光技术研究所和山东大学的晶体材料研究所，尤其是后者，第一次创造性地将具有旋光性的LGS晶体应用于激光器的电光调Q，并取得了多项国际专利，从而开辟了这一压电晶体的电光应用。,PMNT、PZNT晶体,铌镁酸铅钛酸铅（PMN-PT，PMNT）晶体以及锆钛酸铅钛酸铅（PZT-PT，PZNT）晶体是近年来发现的可能会具有十分广阔应用的压电晶体，有着十分大的压电常数和机电耦合系数。 PMN-PT晶体是一种复合钙钛矿结构固熔体，居里温度150，钛酸铅成分比为0.300.35之间时存在一个三方和四方相共存的准同型相界（MPB），此时，压电常数d33和机电耦合系数k33分别可以达到2500pC/N和92%以上。如果能够解决其均匀性和稳定性的问题，PMNPT将是一种十分有前途的压电材料，可以广泛应用于声表面波器件、超声应用、声纳等领域。,PMNT晶体,
