17.3. Ниобат бария-натрия
Сегнетоэлектрик Ba2NaNb5О15 имеет нецентросимметричную орторомбическую решетку пространственной группы С2v с симметрией 2mm и параметрами элементарной ячейки
а = 1,7592 нм, b = 1,7626 нм и с = 0,7990 нм.
Вэтой структуре слегка искаженные октаэдры Nb06 соединяются своими вершинами и образуют параллельные направлению [001] квазилинейные цепочки.
Вперпендикулярном направлении также существуют цепочки октаэдров, но не линейные, а зигзагообразные (кольца октаэдров).
Пространство между цепочками обоих видов образуют тригональные (С), тетрагональные (А1) и пентагональные (А2) пустоты.
Вэлементарной ячейке
Ba2NaNb5О15 четыре положения А2 заняты катионами Ва2+ (ионный радиус 0,135 нм), два положения А1 – ионами Na+ (ионный радиус 0,095 нм), а в положениях В1 и В2 находятся катионы Nb5+.
Температура плавления ~1450 °С (Тк = 560…600 °С), твердость по Моосу 6, плотность 5,3 г/см3.
Диапазон пропускания 190–3500 нм. 
Показатели преломления
λ, мкм |
|
0,4579 |
0,4765 |
|
0,4880 |
0,4965 |
0,5017 |
0,5145 |
0,5321 |
|
0,5328 |
n1 |
|
2,4284 |
2,4094 |
|
2,3991 |
2,3920 |
2,3879 |
2,3786 |
2,3672 |
|
2,3222 |
n2 |
|
2,4266 |
2,4076 |
|
2,3974 |
2,3903 |
2,3862 |
2,3767 |
2,3655 |
|
2,3205 |
n3 |
|
2,2931 |
2,2799 |
|
2,2727 |
2,2678 |
2,2649 |
2,2583 |
2,2502 |
|
2,2177 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Нелинейные характеристики ниобата бария-натрия |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d 2ω = 42 d 2ω; |
d 2ω |
= 41 d 2ω; |
d 2ω = 35 d 2ω по отношению к кварцу; |
|
|
|
|
|
|
33 |
|
11 |
32 |
11 |
31 |
11 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d 2ω = (10–14) d 2ω по отношению к KDP. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По сравнению с другими нелинейными кристаллами кристаллы ниобата бариянатрия обладают значительными преимуществами.
Генерация второй гармоники в кристаллах Ba2NaNb5О15 может быть осуществлена как при комнатной, так и при повышенных температурах.
В последнем случае угол фазового синхронизма θ составляет 90°, и генерация осуществляется без двулучепреломления.
Кристаллы Ba2NaNb5О15 стабильны при воздействии ультрафиолетового излучения, в них отсутствуют оптически наведенные неоднородности показателя преломления, имеющие место в LiNbО3 и LiTaО3.
Устойчивость этих кристаллов при воздействии интенсивного лазерного излучения и наличие высоких нелинейных коэффициентов позволило на этих кристаллах осуществить более эффектное, чем на кристаллах LiNbО3, удвоение частоты мощного непрерывного лазерного инфракрасного излучения.
Кристаллы Ba2NaNb5О15 наиболее пригодны в случае внутрирезонаторной генерации второй гармоники непрерывных лазеров с внутрирезонаторной плотностью мощности не выше 106 Вт/см2.
При этом оптимальная длина кристалла составляет 3–5 мм, обеспечивая выходную мощность гармоники в непрерывном режиме 1–2 Вт.
К недостаткам ниобата бария натрия можно отнести трудность выращивания достаточно больших монодоменных образцов.
Кроме того, этот кристалл требует жесткой температурной стабилизации и обеспечения близкого к идеальному (Bi = ∞) теплового контакта с термостатом.
В противном случае возникает неустойчивость на температурной кривой синхронизма.
Тепловые самовоздействия в данном кристалле в связи с малой температурной шириной требуют введения отрицательной обратной связи по выходному излучению гармоники.
Лекция 18. НЕКОТОРЫЕ ДРУГИЕ НЕЛИНЕЙНЫЕ КРИСТАЛЛЫ
18.1. Ниобат лития
Кристаллы ниобата лития LiNbO3 широко используются в качестве удвоителей частоты на длинах волны более 1 мкм, а также в качестве активной среды оптических параметрических генераторов с накачкой на длине волны 1064 нм (ИАГлазер).
Большое отрицательное двупреломление LiNbО3 (0,08) в видимой и ближайшей инфракрасной областях спектра позволяет производить фазовое согласование основной и вторичной волн.
Нелинейные коэффициенты d31 LiNbО3 приблизительно в 11 раз больше, чем d36 в кристаллах KDP.
Нелинейные восприимчивости для генерации второй гармоники χij2ω и нелинейные коэффициенты dij2ω и δij2ω (относительно χ36 и d36 KDP λ = 1,064 мкм)
χij2ω |
dij2ω |
δij2ω/(4π)3 |
χ22 = 6,3 |
d22 = 6,3 |
– |
χ31 = 11,9 |
d31 = 11,9 |
0,18 |
χ33 = 83 |
d33 = 107 |
1,5 |
Направления фазового согласования и градиенты рассогласования для синхронизма типа
«оое»
|
|
|
Угол |
Градиент |
o |
o |
e |
фазового |
λ1 |
λ2 |
λ3 |
согласования |
рассогла- |
|
|
|
сования |
|
|
|
θ |
|
|
|
|
1,152 |
1,152 |
0,576 |
66º25′ |
11,59 |
1,152 |
1,060 |
0,552 |
72º17′ |
9,74 |
1,060 |
1,060 |
0,530 |
84º08′ |
4,69 |
Зависимость коэффициента преобразования η от мощности падающего излучения в кристаллах
LiNbО3, KDP и АDP
При таких коэффициентах мощность второй гармоники ниобата лития (в отсутствие насыщения) может быть в 120 раз выше, чем у кристалла KDP.
Однако применение ниобата лития для удвоения частоты ИАГ-лазера ограничивается фоторефракцией.
Устойчивость ниобата лития к воздействию интенсивного лазерного излучения может быть существенно повышена легированием ионами Mg2+ и Zn2+ при концентрациях с > 6 %.
Для кристаллов, содержащих более 6 % Zn, получена эффективность преобразования 47% во вторую гармонику излучения ИАГ: Nd3+-лазера при интенсивности I = 80 МВт/см2.
18.2. Бораты бария, лития и цезия-лития
Кристаллы боратов бария, лития и цезия-лития широко используются для преобразования частоты излучения и для создания параметрических генераторов света.
Борат бария β-BaB2O4 (BBO) –
это отрицательный одноосный нелинейный кристалл.
Кристаллическая структура – тригональная пространственная группа R3c, с параметрами ячейки a = b = 1,2532 нм, c = 1,2717 нм.
Температура плавления ~ 1095 °С, твердость по Моосу 4, плотность 3,85 г/см3.
155
Среди других нелинейных кристаллов борат бария обладает важными преимуществами:
Диапазон пропускания 190–3500 нм, диапазон для генерации второй гармоники 410–3500 нм.
Высокая оптическая однородность, ∆n ≥ 10–6/см.
Слабая температурная зависимость двупреломления, обеспечивающая
высокую термостабильность синхронизма (∆no/∆T = –16,6·10–6 °С–1, ∆ne/∆T = = –9,3·10–6 °С–1).
Большой эффективный нелинейно-оптический коэффициент (dэфф = 6dэффKDP
при λ = 1,06 мкм).
|
|
|
|
Длительность |
Предельная интенсивность |
|
|
|
|
импульса τимп |
Iпред, ГВт/см2 |
|
Высокий порог лазерной прочности: |
|
|
|
|
100 пс |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 нс |
13 |
Порог лазерного разрушения поверхности составляет около 12,9 Дж/см2. 
Недостатком BaB2O4 является то, что кристалл имеет очень малую z-компоненту ГВГ-коэффициентов, что делает невозможным его использование в условиях некритического фазового синхронизма.
Выращивание BaB2O4 из расплава оказывается невозможным, так как при переходе из высокотемпературной α-фазы в низкотемпературную β-фазу кристаллы испытывают значительные деформации и растрескиваются.
Поэтому выращивание кристаллов β-фазы следует проводить при температуре ниже 925 °С.
Для выращивания BaB2O4 используется метод кристаллизации из раствора в расплаве.
Борат лития LiB3O5 (LBO) – нелиней-
ный оптический кристалл, широко используемый в ультрафиолетовых лазерах и лазерах видимого диапазона.
Кристаллическая структура – орторомбическая, пространственная группа Pna21 с параметрами ячей-
ки a = 0,8447 нм, b = 0,7379 нм, c = 0,5140 нм.
Температура плавления ~834 °С, твердость по Моосу 6, плотность
2,47 г/см3.
Кристалл LiB3O5 химически устойчив, негигроскопичен, имеет хорошие механические свойства, что облегчает процесс резки и полировки.
Диапазон пропускания бората лития составляет 0,16–2,6 мкм, диапазон генерации второй гармоники 0,55–2,6 мкм.
Борат лития обладает высокой термостабильностью синхронизма (∆nx/∆T = = –9,3·10–6 °С–1, ∆ny/∆T = –13,6·10–6 °С–1, ∆nz/∆T = (–13,6 – 2,1·λ)·10–6 °С–1).
По сравнению с боратом бария борат лития обладает рядом преимуществ: 
Некритический фазовый синхронизм в широком диапазоне длин волн. 
В кристалле LBO получены условия 90-градусного некритического фазового синхронизма при Т = 112 °С для
λ = 1,064 мкм.
Для λ = 1,34 мкм можно достичь условий некритического фазового синхронизма при температуре ниже комнатной.
В диапазоне фазового синхронизма, где LBO обладает наибольшими эффективными нелинейными коэффициентами, он имеет наименьший снос луча и очень большую угловую ширину синхронизма.
Коэффициент эффективной генерации второй гармоники LBO приблизительно в три раза выше, чем коэффициент эффективной генерации второй гармоники KDP.
При использовании кристалла LBO максимальная эффективность преобразования основного излучения в излучение второй гармоники может достигать 80 %.
157
Порог поверхностного разрушения LBO (для излучения ИАГ: Nd3+-лазера с длительностью импульса 1 нс) составляет 24,6 Дж/см2, что намного превышает порог поверхностного разрушения ВВО (12,9 Дж/см2) и KDP (6,0 Дж/см2).
|
|
|
|
|
|
|
Недостатками LBO являются: |
|
|
сложность выращивания кристалла; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
низкое двулучепреломление, что делает невозможным получение в LBO четвертой гармоники ИАГ: Nd-лазе- ра при комнатной температуре;
сильная зависимость угла синхронизма от температуры (∆θ/∆T), что в ряде случаев требует термостатирования кристалла.
Единственным методом получения монокристаллов LBO является метод выращивания из раствора в расплаве.
При выращивании кристаллов стехиометрические количества исходных материалов смешиваются, и смесь расплавляется в платиновом тигле при температуре выше 900 °С в течение нескольких дней.
Кристаллы LBO могут быть получены медленным понижением температуры раствора
со скоростью 0,2–2 °С/сут, начиная с температуры в интервале 834–750 °С.
В процессе выращивания в кристаллах возникают напряжения, приводящие к растрескиванию кристаллов после окончания процесса кристаллизации.
Выращивание проводится на затравке без вытягивания или при скорости вытягивания затравки примерно 1 мм/сут.
Избежать растрескивания можно, используя при выращивании малые температурные градиенты.
Борат лития-цезия CsLiB6O10
(CLBO) обладает хорошими нелинейными свойствами, а выращивать его проще, чем ВВО и LBO.
В отличие от кристаллов ВВО и LBO кристалл CLBO может быть выращен методами Киропулоса и Чохральского, что является существенным преимуществом.
CLBO кристаллизуется в тетрагональной структуре с пространственной группой I42d и параметрами элементарной ячейки: а = b = 1,494 нм; с = 0,8939 нм.
Хотя кристалл CLBO гигроскопичен, его гигроскопичность намного меньше, чем у KDP.
Диапазон прозрачности кристаллов CLBO 180–2750 нм. 
Тензор нелинейной оптической восприимчивости представлен компонентом d36 (его значение примерно соответствует d15 и d32 кристалла
LBO).
При удвоении частоты ИАГ: Nd-ла-
зера (λ = 1,064 мкм) значение d36(СLВО) = 0,95·10–12 м/В примерно
в 2,2 раза больше d36KDP, и в 2 раза меньше d11(ВВО).
Температурное рассогласование при |
генерации второй |
гармоники для |
λ = 1,064 мкм для кристалла CLBO в |
пределах 20–150 °С |
составляет l·∆T = |
= 9,4 °С ·см, что примерно вдвое больше, чем для ВВО (4,5 °С·см).
Кристалл CLBO хорошо подходит для генерации четвертой и пятой гармоник излучения АИГ: Nd3+-лазера.
Кристаллы CLBO выращиваются из стехиометрического раствора-расплава в платиновом тигле в вертикальной цилиндрической электрической печи методом Киропулоса на затравке.
Температура расплава понижается от 845 °С со скоростью 1 °С/сут. 
159
18.3. Титанил-фосфат калия (КТР)
Кристаллы KTiOPО4 широко используются в устройствах нелинейной оптики, в частности, для удвоения и перестройки частоты лазерного излучения.
Кристаллы семейства титанил-фосфата калия KТіОРО4 относятся к материалам особого типа: сегнетоэлектрикамсуперионным проводникам.
Они обладают высокой нелинейной восприимчивостью в сочетании со стойкостью к внешним воздействиям в широком интервале температур.
Впервые КТР был использован для удвоения частоты ИАГ: Nd-лазера (длина волны 1,064 мкм).
При генерации оптических гармоник и при генерации суммарных частот с помощью КТР применяется взаимодействие типа оео.
Удвоение частоты ИАГ: Nd-лазера (длина волны на выходе кристалла составила 532 нм) происходит при направлениях синхронизма при комнатной температуре ϕ = 0 и
θс = 85°20'.
Голубое излучение на длине волны 459 нм в условиях некритического синхронизма при комнатной температуре получается при взаимодействии излучений λ = 1,064 мкм и
λ = 0,809 мкм.
Квадратичная оптическая нелинейность КТР определяется ацентричностью анионных групп (кислородные октаэдры с локализованными в них ионами металла).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Нелинейные оптические характеристики (λ = 1,06 мкм). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Нелинейные оптические |
|
|
d31 = 6,5; d32 = 5,0; d33 = 13,7; d24 = 7,6; d15 |
= 6,1; |
|
коэффициенты (·10–12 м/В) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
24° до X в XY плоскости; |
|
|
|
|
|
|
Угол фазового синхронизма |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
