Ultra-broadband near-infrared NOPAs based on the nonlinear crystals Bi BO and YCOB

We evaluate and demonstrate ultra-broadband near-infrared noncollinear optical parametric amplification in two nonlinear crystals,bismuth borate(Bi BO)and yttrium calcium oxyborate(YCOB),which are not commonly used for this application.The spectral bandwidth is of the microjoule level;the amplified signal is≥200 nm,capable of supporting sub-10 fs pulses.These results,supported by numerical simulations,show that these crystals have a great potential as nonlinear media in both low-energy,few-cycle systems and high peak power amplifiers for terawatt to petawatt systems based on noncollinear optical parametric chirped pulse amplification(NOPCPA)or a hybrid.

高质量YCOB和Nd∶YCOB晶体的生长条件探讨

本文详细报道了采用熔体提拉法生长高质量三硼酸氧钙钇［ＹＣａ４Ｏ（ＢＯ３）３，ＹＣＯＢ］和掺钕三硼酸氧钙钇［Ｎｄ∶ＹＣａ４Ｏ（ＢＯ３）３，Ｎｄ∶ＹＣＯＢ］的结果。详细讨论了各种因素对晶体生长的影响。认为籽晶取向和温度梯度是影响该晶体生长的主要因素；其它因素，如提拉速度、转速及熔体准备过程对晶体生长也有重要作用。综合考虑各种因素后生长了高质量的ＹＣＯＢ和Ｎｄ∶ＹＣＯＢ晶体。典型尺寸为２０×５０ｍｍ。

非线性光学晶体YCOB的性能表征

采用显微硬度计、差热扫描仪等表征手段开展了非线性光学晶体YCOB的硬度及热学等相关性能的测量。结果表明YCOB晶体在(100)、(010)及(001)三个方向上的硬度的各向异性较小,有利于YCOB晶体的后期加工。其在330K时的比热容为0.74J·g-1·K-1,经过计算,其在主轴化方向上的热导率分别为1.74,2.16及3.08W·m-1·K-1,具有比较适中的热导率。

YCOB晶体的最佳三倍频方向研究

用皮秒Nd :YAG激光器对不同切向的YCOB晶体进行了 1 0 64+ 0 532→0 355μm的倍频研究。测量了 1 0 64μm三倍频的一类相位匹配点 ,以及各切向晶体三倍频转换效率随输入功率密度的变化曲线。当输入功率密度为 0 76GW/cm2 时 ,沿 ( 1 0 6°,77 2°)切割的YCOB晶体三倍频转换效率达到 2 6 2 %。

YCOB与GdCOB晶体光学显微术的研究

YCa4O(BO3 ) 3 (简称YCOB)晶体和GdCa4O(BO3 ) 3 (简称GdCOB)晶体是近年来发展起来的新型功能晶体。由于具有较大的非线性系数 ,良好的透光波段等优良性质而倍受人们关注。众所周知 ,晶体的完整性对晶体功能的实现有着重要影响。因此 ,开展功能晶体中缺陷的研究 ,了解其形成机制 ,对于生长高完整性功能晶体具有重要的意义。光学显微术是观测和研究晶体缺陷的最方便和应用最广泛的方法。其中化学腐蚀法可显示晶体中的缺陷如位错、层错、孪晶界、亚晶界、铁电或铁磁畴等。从而获得晶体中缺陷组态和晶体完整性的信息。腐蚀法几乎可以用于所有晶体的研究。我们采用Czochralski法生长了YCOB和GdCOB晶体 ,通过光学显微术对晶体的缺陷进行研究。经过机械切割、研磨与抛光 ,采用化学腐蚀法 ,将晶体放入不同浓度的酸、碱中 ,由反射显微镜直接观察晶面上的蚀坑形态、分布状况。晶面上的蚀坑是位错在该面上的露头点 ,其形态可以反映该晶面的对称性。我们对不同实验条件下腐蚀结果进行了对比 ,结果表明 ,YCOB与GdCOB晶体的 ( 0 1 0 )面和 ( 2 0 1 )面腐蚀坑均成偏三角形 ,显示了该晶面具有赝三次对称性。YCOB与GdCOB晶体相同方向晶面腐蚀速度不同 ,GdCOB晶体的腐蚀坑显露速度较快 。

YCOB和Nd∶YCOB晶体的倍频系数和最佳相匹配方向的确定

首次报道使用理论计算和Maker条纹方法确定了YCOB晶体的 6个倍频系数 ,并给出了晶体有效倍频系数 (deff)和相匹配角 ( θ,)之间的相互关系 .计算出的曲线显示 ,YCOB晶体的最佳有效倍频系数的位置不是在 x-z的主平面或接近于x-z主平面的位置上 ,而是在 (θ =6 5 9° ,=36 5°)和 (θ =6 6 3° ,=143 9°)两个位置上 .YCOB晶体的倍频转换效率测量及Nd∶YCOB晶体的自倍频转换效率测量均证实上述结果是正确的 .文章的结果对于推动YCOB晶体倍频器件和Nd∶YCOB晶体的自倍频器件的发展将起到重要的作用 .

基于YCOB晶体分析信号光脉冲时间特性对光参变啁啾脉冲放大光谱和转换效率的影响

基于YCOB晶体中三波耦合方程理论模型,在抽运光波形和能量、晶体长度相同的条件下,研究信号光的时间波形对光参变啁啾脉冲放大(OPCPA)光谱和转换效率的影响。计算过程中,抽运光和信号光能量分别为45J和500mJ,光斑直径分别为60mm和50mm。抽运光脉宽取3ns,信号光脉宽为1.2ns。数值结果显示,信号光放大后的光谱和转换效率与输入信号光的时间波形有关。1阶高斯型脉冲光谱的半峰全宽(FWHM)得以展宽,由原来的36nm展宽为放大后的61nm,2阶超高斯脉冲频谱展宽为47nm,高斯脉冲的阶数越高,谱宽展宽越小,5阶和5阶以上的高斯脉冲光谱不再展宽,几乎保持原来36nm不变;1阶高斯脉冲的转换效率最高,达到32%左右,2阶高斯脉冲只有25%,8阶以上转换效率基本变化不大,约为19%。信号光脉冲时间特性对OPCPA的光谱输出和转换效率产生很大的影响。

YCOB晶体非共线相位匹配技术研究

以中心波长为1053nm的信号光及中心波长为532nm的抽运光光参变放大过程为例,通过数值模拟,详细分析了三硼酸氧钙钇[YCa4O(BO3)3,YCOB]晶体XOY与XOZ主平面内,非共线相位匹配的匹配特点与增益特性。按照相位匹配技术主要参数定义要求,不经近似,通过数值计算,给出了最佳非共线角、相位匹配角、参量带宽、走离角、接收角和有效非线性系数与增益带宽。结果显示,YCOB晶体具有很大的增益带宽与较大的增益,较大的接收角和小的走离角;作为增益介质,不仅可以用于大能量高功率固体激光器,也可以用于几十飞秒量级超短脉冲激光系统。

半导体激光端面泵浦Nd:YVO_4/KTP固体激光的实验研究

搭建了一套以中心输出波长为808.5nm的半导体激光端面泵浦Nd:YVO4激光晶体产生1064nm红外激光,然后以腔内KTP晶体倍频的方法将红外激光倍频为532nm绿光激光的固体激光实验系统,研究了808.5nm的泵浦半导体激光的输出功率与注入电流的关系及与532nm绿光输出功率的关系,以及KTP倍频晶体的相位匹角、泵浦光的聚焦位置和固体激光器的腔长等因素对532nm绿光输出功率的影响.实验结果表明:提高泵浦半导体激光的泵浦功率、缩短固体激光器的腔长、将泵浦光聚焦到Nd:YVO4晶体内部以及正确选择KTP晶体的相位匹配角能够提高532nm绿光的输出功率.

Nd3+∶YCa4O（BO3）3单晶的坩埚下降法生长与光谱性能（英文）

Nd3+∶YCOB单晶是在激光调制技术上具有重要应用价值的自倍频光学材料。采用高温固相反应合成Nd3+∶YCOB多晶粉体,再通过垂直区熔处理制备出高纯度Nd3+∶YCOB晶粒料,采用坩埚下降法生长出1mol%、2mol%和5mol%Nd3+掺杂比例的系列Nd3+∶YCOB单晶。测试表征了所生长单晶试样的光谱性能,包括吸收光谱、荧光光谱和荧光衰减时间。在808 nm红外光源激发下,Nd3+∶YCOB单晶显示出中心波长1064 nm的强荧光发射,其荧光寿命为157~162μs,证实1064 nm强荧光发射随Nd3+掺杂浓度加大而明显增强。

K_2Ln(NO_3)5·2H_2O(Ln=Pr,Nd)的晶体结构和非线性光学性质

本文采用水溶液中生长晶体的方法合成了ＫＬｎＮ（Ｌｎ＝Ｐｒ，Ｎｄ）的单晶，研究了ＫＰｒＮ的单晶结构及ＫＬｎＮ（Ｌｎ＝Ｐｒ，Ｎｄ）的非线性光学性质。ＫＬｎＮ（Ｌｎ＝Ｐｒ，Ｎｄ）均属正交晶系，Ｆｄｄ２空间群。ＫＰｒＮ的晶胞参数为：ａ＝２．１４１１（３）ｎｍ，ｂ＝１．１２２１０（１０）ｎｍ，ｃ＝１．２２０８（２）ｎｍ，Ｚ＝６，Ｒ＝０．０２４０．ＫＬｎＮ（Ｌｎ＝Ｐｒ，Ｎｄ）的二次谐波光强与ＫＬｎＮ（Ｌｎ＝Ｌａ，Ｃｅ）处于同样的数量级．ＫＬｎＮ容易生长出大尺寸晶体，是一类有应用前景的可产生蓝绿光的倍频转换材料。

掺杂YCa_4O(BO_3)_3晶体的生长与性质研究

采用提拉方法，首次使用铂坩埚在大气气氛下生长出大尺寸，高质量的非线性光学晶体ＹＣａ４Ｏ（ＢＯ３）３（ＹＣＯＢ）。典型晶体尺寸为直径１５～２０ｍｍ，长度３０～４０ｍｍ。对晶体进行掺杂改性研究，已分别生长出掺杂浓度为５％的Ｎｄ∶ＹＣＯＢ，Ｅｒ∶ＹＣＯＢ和掺杂浓度为２０％的Ｙｂ∶ＹＣＯＢ晶体。对沿不同方向生长的晶体的习性和缺陷进行了研究。晶体的生长是以典型的二维成核层状生长进行的。当沿〈２０１〉方向生长时，晶体易出现（０１０）面孪晶及〈２０１〉方向的解理面；而沿〈０１０〉方向生长时，可避免孪晶和解理面的出现。我们认为〈０１０〉方向为最佳生长方向。通过测量晶体的室温透过谱发现掺杂的ＹＣＯＢ晶体在深紫外（２２０ｎｍ）有较高的透过率（８０％）。初步的自倍频实验可观察到Ｎｄ∶ＹＣＯＢ晶体能够在８１１ｎｍ的ＬＤ泵浦下产生较强的绿光，并且阈值较低。

YAG激光晶体热致双折射的非线性分析

为了克服线性模型在描述高功率运转的激光晶体时,热焦距和热致双折射计算值与实测值不符的缺点,采用非线性热传导模型,计算了常用[111]切割方向Nd∶YAG激光晶体的热致双折射椭圆分布以及径向和切向热焦距。进行了平均热焦距数据测量和旋转线偏振光干涉实验,实验结果与理论分析吻合。结果表明,非线性模型对Nd∶YAG激光晶体在高功率运转时的描述更符合实际情况,普适性更强。这一结果对于设计高功率径向或切向偏振固体激光器是有帮助的。

Nd^(3+):Ca_9Y(VO_4)_7晶体生长和光谱分析

采用提拉法生长出了尺寸为30mm×35mm的Nd3+∶Ca9Y(VO4)7晶体,测得晶体中Nd3+离子的有效分凝系数为0.75,其粉末二阶非线性光学系数约为KDP的1.5倍,晶体的维氏硬度为362。光谱分析表明其809nm处的吸收半峰全宽(FWHM)为13nm,吸收跃迁截面为1.50×10-19 cm2,适合采用GaAlAs激光二极管抽运;晶体的最强发射峰位于1069nm,其发射跃迁截面为1.35×10-20 cm2,荧光寿命为103μs。研究结果表明该晶体有望成为一种新的自倍频激光晶体。

大尺寸非线性光学晶体三硼酸氧钇钙的研究进展

近年来，惯性约束聚变点火工程将Ca4YO（BO3）3（简称YCOB）晶体视作快点火核聚变装置中频率转换器件中非线性材料的重要候选，大尺寸YCOB晶体的生长成为其获得重大应用的关键。结合最近几年的研究工作以及国内外YCOB晶体的生长情况，介绍了YCOB晶体的生长情况特别是大尺寸晶体生长的研究进展，并对将来的生长研究的前景进行了展望。