中紅外非線性光學(xué)晶體可以實現(xiàn)中紅外激光頻率轉(zhuǎn)換、拓展激光波長,在民用和軍用領(lǐng)域中有至關(guān)重要的應(yīng)用價值。其中,硅酸鎵鑭族晶體具有透過范圍寬、激光損傷閾值高、晶體質(zhì)量好等優(yōu)勢,引起了國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。在這篇綜述中,我們基于現(xiàn)有的實驗數(shù)據(jù),研究和分析了三種重要的硅酸鎵鑭族晶體La₃Ga₅Si O₁₄（LGS）、La₃Ga_5.5Nb_0.5O₁₄（LGN）、La₃Ga_5.5Ta_0.5O₁₄（LGT）的綜合性能,詳細(xì)總結(jié)了它們在電光調(diào)Q開關(guān)和中紅外光參量振蕩以及差頻激光輸出方面的應(yīng)用。最后,本文還討論了今后硅酸鎵鑭族中紅外非線性光學(xué)晶體的重點發(fā)展方向。 

【文章來源】：物理化學(xué)學(xué)報. 2020,36(01)北大核心

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A3BC3D2O14的晶體結(jié)構(gòu)

圖1 A3BC3D2O14的晶體結(jié)構(gòu)光學(xué)性質(zhì)方面，如圖3所示�？梢钥闯觯@三種晶體的高透過率范圍均可達0.5至5μm 17,22，覆蓋了3–5μm這一大氣窗口波段，是潛在的中紅外光學(xué)材料。與LGN和LGT相比，LGS的透過范圍略窄，這是因為Si―O鍵的高頻聲子振動影響了紅外截止邊。由于氧缺陷的存在，這三類晶體在1.85μm處均存在著偏振吸收峰；而由于Ga―O鍵的振動，3μm處也出現(xiàn)一個小吸收峰。所幸這些吸收峰基本不影響晶體在中紅外波段的使用價值。

自二十世紀(jì)六十年代激光問世至今，人們都非常重視電光晶體材料的研究。但是，由于電光晶體在實際應(yīng)用中受到多方面的限制，盡管許多晶體都具有電光性能，但是綜合性能優(yōu)良電光晶體卻屈指可數(shù)。隨著現(xiàn)代光學(xué)和激光技術(shù)不斷發(fā)展，對用來制作電光調(diào)Q開關(guān)的電光晶體提出了一些新的要求和條件：較大的電光系數(shù)，較寬透光范圍，高激光損傷閾值，穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，容易加工，可獲得高光學(xué)質(zhì)量的大尺寸單晶。此外，還要注意由對稱性引起的溫度補償或雙折射補償?shù)膯栴}。目前使用較為廣泛的電光晶體主要有磷酸二氘鉀(KD2PO4,KD*P)、鈮酸鋰(LiNbO3,LN)、磷酸鈦氧銣(RbTiOPO4,RTP)、偏硼酸鋇(β-BaB2O4,BBO)和硅酸鎵鑭(La3Ga5SiO14,LGS)晶體等，其中，KD*P晶體擁有較高的光損傷閾值，較好的光學(xué)均勻性，但該晶體是水溶性晶體，易潮解，使用時必須進行密封性處理，同時，其壓電效應(yīng)較強，在重復(fù)頻率超過10 kHz時會出現(xiàn)壓電振鈴效應(yīng)；LN晶體的物理化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，具有較寬的透光范圍，但是其激光損傷閾值比較低(100 MW·cm-2)，僅限于中、低功率激光器中應(yīng)用；RTP晶體具有較小的壓電振鈴效應(yīng)，可用于高重復(fù)頻率運轉(zhuǎn)，但該類晶體屬于低對稱性的正交晶體，為克服其自然雙折射，需成對使用，使得該類電光開關(guān)對溫度、振動等外界環(huán)境較為敏感。BBO作為重要的電光晶體，也一直吸引著人們的關(guān)注，但該類晶體在器件使用的Z方向生長難度較大，亟需生長技術(shù)的突破。自2002年以來，由于LGS晶體存在的潛在電光性能而受到極大關(guān)注。LGS晶體的線性電光系數(shù)γ11=2.3 pm·V-1和γ41=1.8 pm·V-1 24盡管低于KD*P和LN晶體，但是可以通過改變光傳播長度的縱橫比和所施加電壓的晶體厚度來調(diào)節(jié)半波電壓。LGS具有適中的電光系數(shù)和光損傷閾值，較寬的透光范圍，但是LGS具有旋光性，從而限制了其在電光調(diào)Q上的應(yīng)用。LGS晶體具有旋光性，這意味著光通過晶體傳播時偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。利用旋光的可逆性可以消除晶體旋光性對電光過程的影響，但這種方案的設(shè)計較為復(fù)雜，腔長較長，取得脈沖激光寬度較寬。為了優(yōu)化LGS電光調(diào)Q設(shè)計，從光的傳播方程出發(fā)，理論上探討了旋光性對光的相位和電光效果的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)晶體旋光性只改變了光的偏振方向，不產(chǎn)生附加的相位差及相應(yīng)的電光開關(guān)效果；最后，在理論研究基礎(chǔ)上，結(jié)合旋光“可逆”的特點，提出一種新型“奇數(shù)”次穿過LGS電光調(diào)Q開關(guān)的設(shè)計方案，即通過轉(zhuǎn)動四分之一波片，來消除單次通過電光晶體所產(chǎn)生的旋光效應(yīng)對電光效果的影響。此外，Stade等人測量了LGN和LGT的電光系數(shù)γ11(-2.62和-2.82 pm·V-1)24，與LGS的電光系數(shù)相當(dāng)。值得注意的是，它們的旋光性要強于LGS晶體，這對于電光實際應(yīng)用來說是非常不利的。所以，越來越多的研究人員主要關(guān)注LGS晶體的潛在電光應(yīng)用。現(xiàn)在，我們回顧了使用LGS電光調(diào)Q開關(guān)設(shè)備進行紅外相干光生成的三種典型應(yīng)用。3.1 1.064μm激光產(chǎn)生


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