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4英寸YCOB晶体将为新型激光器研制奠定基础

2013-02-05 14:02
苏子言岁月
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  近日,中国科学院上海硅酸盐研究所成功生长出直径4英寸(100 mm)YCOB晶体,等径部分长度达到100 mm,晶体完整无缺陷,达到非线性光学质量要求,可切割通光口径达到90 mm×90 mm的非线性光学频率转换器件。这是目前公开报道中采用熔体法生长的非线性光学晶体最大可用口径。目前,世界上能提供最大可用口径的非线性光学晶体是KH2PO4(简称KDP),采用水溶液法生长,已被各国激光核聚变工程采用,器件口径最大达到430 mm×430 mm。但其非线性光学性能和物理化学稳定性均不如YCOB晶体。

  YCa4O(BO3)3 (简称YCOB)晶体是1996年由法国科学院Aka等人发明的新晶体,此后人们发现该晶体具有优越的非线性光学性能、高温压电性能以及良好的化学稳定性,在近几年重新受到重视。与高功率激光系统常用的非线性光学晶体LiB3O5(LBO)相比,该晶体具有如下优点:晶体不易潮解;有效非线性光学系数比前者大37.5%;温度容许范围宽22倍;虽抗激光损伤阈值相近,但参量荧光小三个数量级;热膨胀系数小一个数量级且各向异性小,可加工性能更好。该晶体可采用提拉法生长,生长周期短,成本更低,有利于获得可制作大口径激光器件的晶体。用该晶体制作的大口径激光器件,可实现高能量和高功率激光系统的倍频(SHG)、三倍频(THG)、光参量振荡(OPO)、光参量放大(OPA)以及光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)。

  2010年以来,中国科学院上海硅酸盐研究所先后突破了1英寸、2英寸和3英寸YCOB晶体生长技术,并于2011年获得 60 mm X 60 mm口径的YCOB晶体非线性光学器件,成功应用于焦耳量级的非共线参量啁啾脉冲放大(OPCPA),产生了能量3.36 J压缩脉冲周期为44.3fs的800 nm信号光,表明YCOB晶体可成为拍瓦级激光系统的末级放大器。为产生更大平均功率激光,需要OPCPA非线性光学器件具有更大的口径,因此需要生长更大直径和长度的YCOB晶体。

  进入4英寸直径YCOB晶体技术攻关以来,由于晶体直径和长度增大,生长所需时间和难度大大增加,研究人员通过刻苦攻关,探索了一套综合多种工艺的有效技术,攻克了YCOB晶体易解理、螺旋生长和产生包裹体等技术难题,使晶体质量大大提高,光学均匀性达到1.48×10-6,抗激光损伤阈值达到10 J/cm2 (532 nm, 3 ns)以上,并最终获得能够切割90 mm×90 mm口径器件的4英寸YCOB晶体,并为进一步探索生长更大尺寸YCOB晶体奠立了良好基础。

上海硅酸盐所生长的YCOB晶体

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