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1、1EXIT 第七章第七章第七章第七章 人工晶体人工晶体人工晶体人工晶体-2-2-2-2 激光晶体激光晶体 激光晶体是激光晶体是激光晶体是激光晶体是可将外界提供的能量通过光学谐振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。是晶体激光器的性和单色性激光的晶体材料。是晶体激光器的工作物质。工作物质。激光晶体由激光晶体由发光中心发光中心和和基质晶体基质晶体两部分组成。两部分组成。大部分激光晶体的发光中心由激活离子构成，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激活离子部分取代
2、基质晶体中的阳离子形成掺掺杂型激光晶体杂型激光晶体。激活离子成为基质晶体组分的。激活离子成为基质晶体组分的一部分时，则构成一部分时，则构成自激活激光晶体自激活激光晶体。激光在产生过程中始终伴随着以下三种状态：激光在产生过程中始终伴随着以下三种状态：a.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。时，跃迁到与此能量相对应的较高能级。E2E1E2E1自发辐射光子自发辐射光子自发辐射跃迁自发辐射跃迁 b.b.自发辐射：粒子受到激发而进入的激发态，不是粒子的稳定状态，如存
3、在着可以自发辐射：粒子受到激发而进入的激发态，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（发态（E2E2）向低能级基态（）向低能级基态（E1E1）跃迁，同时辐射出能量为（）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1E2-E1）的光子。）的光子。受激吸收跃迁受激吸收跃迁E2E1E2E1入射光子入射光子激光产生的原理激光产生的原理c.c.受激辐射（激光）受激辐射（激光）:当频率为当频率为=（E2-E1E2-E1）/h/h的光子入射时，会引发粒子以一定的的光子入射时，
4、会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级概率，迅速地从能级E2E2跃迁到能级跃迁到能级E1E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态，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。以及传播方向都相同的光子。受激辐射跃迁受激辐射跃迁 粒子数反转粒子数反转:要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2E2的粒子数大于处在的粒子数大于处在低能级低能级E1E1的粒子数，这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转的粒子数，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。分布，简
5、称粒子数反转，实现粒子数反转是产生激光的必要条件。E2E1E2E1入射光入射光子子受激辐射光受激辐射光子子入射光入射光子子晶体腔：工作物质，谐振腔，激发源晶体腔：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：质中造成离子数反转分布，即使介质激活。例如：掺钕钇铝石榴掺钕钇铝石榴石（石（Nd:YAGNd:YAG）YAGYAG激光晶体。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
6、球面反射镜构成。工作介质实现了粒子数反转后就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。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。光泵式，电激励式，化学式。工作介质（工作介质（YAG晶体）晶体）光源泵光源泵电源电源全反射镜全反射镜半反射镜半反射镜激光束激光束激光的产生过程可归纳为：激励能激励
7、能源源工作物工作物质质全反射全反射镜镜部分反射镜部分反射镜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外界激励励光学谐振腔光学谐振腔红宝石激光晶体红宝石激光晶体 最早实现激光输出的是：最早实现激光输出的是：红红宝石宝石(AlAl2 2O O3 3：CrCr3+3+)激光器。激光器。第一台激光器为梅曼第一台激光器为梅曼19601960年年发明，激光波长发明，激光波长693.4693.4nmnm，其中用红宝石直径其中用红宝石直径1 1cmcm，长，长2 2cmcm，端面镀银，其中一面，端面镀银，其中一面留有小孔，以通用公司用于留有小孔，以通用公司用于航空拍摄的螺旋
8、形闪光灯激航空拍摄的螺旋形闪光灯激发。发。红宝石激光晶体红宝石激光晶体 红宝石激光晶体为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。红宝石激光晶体红宝石激光晶体吸收紫蓝光和黄绿光，吸收紫蓝光和黄绿光，峰值波长在峰值波长在0.41m0.41m附近附近的称为蓝带的称为蓝带;峰值波长在峰值波长在0.55m0.55m附近的称为绿带。附近的称为绿带。这两个吸收谱带这两个吸收谱带,吸收带吸收带宽均约宽均约0.1um0.1um左右，比较左右，比较宽。宽。在入射光的振动方向与在
9、入射光的振动方向与晶体光轴晶体光轴C C相垂直或平行相垂直或平行这两种情况下这两种情况下,其吸收曲其吸收曲线略有差别。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红宝石激光晶体能级图优点优点:机械强度高机械强度高,能承受很高的激光功率密度能承受很高的激光功率密度;容易生长成较大尺寸容易生长成较大尺寸;红宝石激光器输出的红光红宝石激光器输出的红光(0.6943um),(0.6943um),不仅能为不仅能为人眼可见人眼可见,而且很容易被探测接收而且很容易被探测接收(目前大多数光电元目前大多数光电元件对红光的感应灵敏度较高件对红光的感应灵敏度较高)。亚稳态寿命长亚稳
10、态寿命长,储能大储能大,可得到大能量输出，单可得到大能量输出，单级调级调Q Q器件很容易得到几十兆瓦的峰值功率输出器件很容易得到几十兆瓦的峰值功率输出(脉冲脉冲输出）。输出）。缺点：阈值高缺点：阈值高(三能级三能级)温度敏感，不适合连续工作。温度敏感，不适合连续工作。红宝石激光晶体红宝石激光晶体12按组成分类有：按组成分类有：1.1.掺杂型激光晶体：掺杂型激光晶体：在基质晶体中掺入激活离子，以它作为在基质晶体中掺入激活离子，以它作为“发光中心发光中心”。它可决定激光发射的波长，基质晶体作为。它可决定激光发射的波长，基质晶体作为“载体载体”，为其提供合适的，为其提供合适的“晶格场晶格场”。常用的
11、激活离子：常用的激活离子：a a、过渡金属离子：、过渡金属离子：(Cr(Cr3+3+)b b、二、三价稀土离子：、二、三价稀土离子：NdNd3+3+、DyDy2+2+C C、锕系离子：、锕系离子：U U3+3+输输 出出 波波 长：紫外长：紫外(0.170.17m)-m)-中红外中红外(5.155.15m)m)如：红宝石如：红宝石(A1(A12 20 03 3：CrCr3+3+)钛宝石钛宝石(A1(A12 20 03 3：TiTi3+3+)掺钕钇铝石榴石掺钕钇铝石榴石(YAG(YAG：NdNd3+3+)常用激光晶体常用激光晶体13 2.2.自激活激光晶体：自激活激光晶体：这种晶体的激发离子就是
12、晶体这种晶体的激发离子就是晶体这种晶体的激发离子就是晶体这种晶体的激发离子就是晶体本身的组成之一。可用来制作高效率、低阀值、小本身的组成之一。可用来制作高效率、低阀值、小本身的组成之一。可用来制作高效率、低阀值、小本身的组成之一。可用来制作高效率、低阀值、小功率的微型激光器。功率的微型激光器。功率的微型激光器。功率的微型激光器。如如如如:a.a.a.a.四磷酸锂四磷酸锂四磷酸锂四磷酸锂(LiP(LiP(LiP(LiP4 4 4 40 0 0 012121212)b.b.b.b.五磷酸钕五磷酸钕五磷酸钕五磷酸钕(NdP(NdP(NdP(NdP5 5 5 50 0 0 04 4 4 4)c.c.c
13、.c.四硼酸铝四硼酸铝四硼酸铝四硼酸铝Al(B0Al(B0Al(B0Al(B03 3 3 3)4 4 4 4 d.d.d.d.钨酸钕钠钨酸钕钠钨酸钕钠钨酸钕钠NaNdNaNdNaNdNaNd5 5 5 5(W0(W0(W0(W04 4 4 4)4 4 4 4 常用激光晶体常用激光晶体14 按发出激光波长范围分有：按发出激光波长范围分有：按发出激光波长范围分有：按发出激光波长范围分有：【1 1 1 1】发射单一频率的激光晶体发射单一频率的激光晶体发射单一频率的激光晶体发射单一频率的激光晶体(固定频率固定频率固定频率固定频率)：如：如：如：如：YAGYAGYAGYAG：NdNdNdNd3+3+3+
14、3+(1.06(1.06(1.06(1.06m).A1m).A1m).A1m).A12 2 2 20 0 0 03 3 3 3：CrCrCrCr3+3+3+3+(6943(6943(6943(6943)【2 2 2 2】发射波长在一定范围内连续可调的晶体：发射波长在一定范围内连续可调的晶体：发射波长在一定范围内连续可调的晶体：发射波长在一定范围内连续可调的晶体：如：如：如：如：A1A1A1A12 2 2 20 0 0 03 3 3 3：TiTiTiTi3+3+3+3+(0(0(0(066-1.0766-1.0766-1.0766-1.07m)m)m)m)用途：因其具有高方向性，高单色性，高相干
15、性等特点，而用途：因其具有高方向性，高单色性，高相干性等特点，而用途：因其具有高方向性，高单色性，高相干性等特点，而用途：因其具有高方向性，高单色性，高相干性等特点，而 广为应用。广为应用。广为应用。广为应用。如：如：如：如：A A A A：工业：材料加工：工业：材料加工：工业：材料加工：工业：材料加工(打孔、焊接、切割打孔、焊接、切割打孔、焊接、切割打孔、焊接、切割)。B B B B：自然科学：激光光谱学、研究物质结构、固体物理、：自然科学：激光光谱学、研究物质结构、固体物理、：自然科学：激光光谱学、研究物质结构、固体物理、：自然科学：激光光谱学、研究物质结构、固体物理、电视、雷达。电视、雷
16、达。电视、雷达。电视、雷达。C C C C：医疗：眼科、外科、防治肿瘤。：医疗：眼科、外科、防治肿瘤。：医疗：眼科、外科、防治肿瘤。：医疗：眼科、外科、防治肿瘤。D D D D：军事：激光测距、激光制导、激光炮、激光枪等。：军事：激光测距、激光制导、激光炮、激光枪等。：军事：激光测距、激光制导、激光炮、激光枪等。：军事：激光测距、激光制导、激光炮、激光枪等。常用激光晶体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
17、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
18、制成的激光器正向千瓦，万瓦级方向发展。掺钕的掺钕的YAG晶晶体体常用激光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
19、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。掺钕的钆镓石榴石掺钕的钆镓石榴石晶体晶体常用激光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。掺掺镱镱的的钒钒酸酸钇钇晶晶体体常用激光晶体常用激光晶体掺钕的三硼酸钙氧钇（掺钕的三硼酸钙氧钇（NdNd：YCOBYCOB）属于三硼酸钙氧稀土）属于三硼酸钙氧稀土(ReCa4O(BO3)3)(ReCa4O(BO3)3)族晶体，空族晶体，空间群为间群为CmCm，该晶体具有较大，该
20、晶体具有较大的双折射率，对的双折射率，对NdNd：YAGYAG激光激光可实现三倍频，同时有望成可实现三倍频，同时有望成为小型化三基色激光器件开为小型化三基色激光器件开发的重要晶体材料。发的重要晶体材料。掺钕的掺钕的YCOB晶晶体体常用激光晶体常用激光晶体闪烁晶体闪烁晶体当射线当射线(X(X射线、伽马射线射线、伽马射线)或放射性粒子或放射性粒子通过某些晶体时，因射线或粒子的激发，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该晶体会发出荧光脉冲(闪烁闪烁)，此即为，此即为闪烁晶体闪烁晶体。闪烁晶体发出的荧光是透明的，如果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
21、将闪烁晶体与光电倍增管耦合，即可制成晶体闪烁计数器。成晶体闪烁计数器。闪烁晶体闪烁晶体闪烁晶体应具备的特性：闪烁晶体应具备的特性：闪烁晶体应具备的特性：闪烁晶体应具备的特性：密度较大密度较大密度较大密度较大对带电粒子阻止本领大对带电粒子阻止本领大对带电粒子阻止本领大对带电粒子阻止本领大对射线有很高的吸收系数对射线有很高的吸收系数对射线有很高的吸收系数对射线有很高的吸收系数发光频率高发光频率高发光频率高发光频率高发光强度与入射线的能量有良好的线形关系发光强度与入射线的能量有良好的线形关系发光强度与入射线的能量有良好的线形关系发光强度与入射线的能量有良好的线形关系荧光衰减快荧光衰减快荧光衰减快荧光
22、衰减快产生的荧光透明性好产生的荧光透明性好产生的荧光透明性好产生的荧光透明性好闪烁晶体闪烁晶体常用的闪烁晶体：常用的闪烁晶体：(1)(1)碘化钠碘化钠(NaI(NaI：T Tl l)：1948 1948 年年Hoftdater Hoftdater 制备，是最早的闪烁晶体制备，是最早的闪烁晶体碘化钠（碘化钠（NaINaI）晶体是属于立方晶系，为）晶体是属于立方晶系，为典型的离子晶体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
23、（-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(10-3Tl)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：稀土氟化物：氟化铈(CeF3)，氟化镧
24、(LaF3)稀土氯化物：稀土氯化物：氯化镧(LaCl3)，氯化镥(LuCl3)稀土溴化物：稀土溴化物：溴化镥(LuBr3)，溴化钆(GdBr3)，溴化镧(LaBr3)稀土碘化物：稀土碘化物：碘化镥(LuI3)锗锗(硅硅)酸盐：酸盐：锗酸铋晶体(B i4Ge3O12,BGO)钨酸盐钨酸盐:PbWO4,GdWO4,CaWO4铝酸盐铝酸盐: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部分闪烁晶体及其主要性能参数闪烁晶体的应用闪烁晶体的应用1 1、核医学成像：、核医学成像：锗酸铋晶体锗酸铋晶体(Bi4Ge3O12,BGO)(Bi4G
25、e3O12,BGO)2 2、高能物理探测、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（由于高能物理实验的前沿之一将是研究更高能量（TeVTeV级甚至级甚至更高）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（晶体不仅具有高密度（7g/cm7g/cm）、快衰减（）、快衰减（151550ns50ns）和高抗）和高抗辐照（辐照（1TeV1TeV）等特性外，而且价格低廉。对光产额要求，相）等特性外，而且价格低廉。对光产额要求，相对较低。对这类闪烁晶体的研究和开发难度很大，特别具有挑对较低。对这类闪烁晶体的研究和开发难
26、度很大，特别具有挑战性。战性。目前有价值的材料主要集中在掺目前有价值的材料主要集中在掺CeCe的稀土硅（铝）酸盐上的稀土硅（铝）酸盐上3 3、工业、工业CTCT：CaWO4CaWO4较为受欢迎。此外还有较为受欢迎。此外还有高光产额且不易开裂高光产额且不易开裂的闪烁晶体，如的闪烁晶体，如CsI:TlCsI:Tl晶体。晶体。声光衍射声光衍射声声光光效效应应就就是是研研究究光光通通过过声声波波扰扰动动的的介介质质时时发发生散射或衍射的现象。生散射或衍射的现象。当当物物质质受受到到弹弹性性应应力力或或应应变变作作用用时时，介介质质的的折折射射率率发发生生变变化化，这这种种由由于于应应力力使使折折射射率
27、率发发生生变变化的现象称为弹光效应化的现象称为弹光效应由由于于弹弹光光效效应应，当当超超声声纵纵波波以以行行波波形形式式在在介介质质中中传传播播时时会会使使介介质质折折射射率率产产生生正正弦弦或或余余弦弦规规律律变变化化，并并随随超超声声波波一一起起传传播播，当当激激光光通通过过此此介介质时，就会发生光的衍射，即声光衍射。质时，就会发生光的衍射，即声光衍射。声光衍射声光衍射拉曼拉曼-纳斯衍纳斯衍射射声光衍射声光衍射布拉格衍射布拉格衍射声光效应的应用 测量最早声光效应仅用于物理性质的测量，如声场的能量分布、声衰减系数、声速的弹性系数以及弹光系数的测量。光电子激光和超声波技术的发展，使得声光效应在
28、光电子上有广泛的应用。如声光调制器、声光调Q、声光锁模器和声光偏转器。其他利用声光效应产生的衍射可以改变光束的强度、方向和频率，因而可设计制造光强调制器、光束偏转器和激光Q开关等器件。123声光衍射的应用声光衍射的应用声光衍射应用声光衍射应用优点优点：任任何何物物质质（包包括括均均质质体体、气气体体和和液液体体）都都具具有有声声光光效效应应，故故声声光光器器件件不不受受晶晶体体的的限限制制，器器件件所需的驱动功率较低（只有所需的驱动功率较低（只有1-2W1-2W）。）。缺点：缺点：声声光光器器件件是是通通过过压压电电换换能能器器将将信信号号施施于于声声光光介介质质，以以在在介介质质中中激激励励
29、超超声声弹弹性性波波，因因而而声声光光器器件件在在响响应应速速度度、信信息息容容量量和和调调制制带带宽宽等等方方面面有有它的局限性。它的局限性。声光晶体声光晶体声声音音是是一一种种机机械械波波，当当超超声声波波在在晶晶体体中中传传播播时时，晶晶体体内内产产生生弹弹性性应应力力，使使晶晶体体折折射射率率发发生生周周期期性性变变化化形形成成超超声声光光栅栅，光光通通过过形形成成超超声声光光栅栅的的晶晶体体时时，将将产产生生声声光光的的相相互互作作用用，因因此此声声光光效效应应也也是是一一种种弹弹光光效效应应，具具有有声声光光效效应应的的晶晶体体就就是是声光晶体声光晶体。声光晶体声光晶体声声光光晶晶
30、体体的的最最大大特特点点是是光光学学和和声声学学的的各各向向异异性性。由由于于各各向向异异性性使使声声光光晶晶体体在在声声光光效效应应中中具具有有反反常常布布拉拉格格衍衍射射效效应应，从从而而开开发发出出宽宽带带、快快速速的的反反常常布布拉拉格格衍衍射射声声光光调调制制器器和和声声光光滤滤波波器器。声声光光晶晶体体的的各各向向异异性性，又又使使其其可可能能在在某某些些方方向向获获得得很小的声速和高的品质因子。很小的声速和高的品质因子。此此外外，晶晶格格的的长长程程有有序序排排列列，又又使使声声光光晶晶体体一一般般具具有有较较小小的的声声损损耗耗，从从而而可可以以增大声光器件的带宽。增大声光器件
31、的带宽。声光晶体的分类声光晶体的分类方晶类声光晶体方晶类声光晶体光学单轴声光晶体光学单轴声光晶体光学双轴声光晶体光学双轴声光晶体半导体声光晶体半导体声光晶体方晶类声光晶体方晶类声光晶体这这类类晶晶体体一一般般有有比比较较成成熟熟的的生生长长工工艺艺，易易于于获获得得较较大大尺尺寸寸的的单单晶晶。其其弹弹光光系系数数不不大大，品品质质因因子子也也较较低低，但但能能获获得得很很低低的的声声损损耗耗，因因而而可可以以制制作作宽宽带带的的声声光光器器件件。这这类类晶晶体体在在X X光光或或紫紫外外光光照照射射下下易易于于产产生生色色心心，因因而而不不能能用用于于短短波波长长波波段段。这这类类晶晶体体有
32、有43m43m点点群群的的钇钇铝铝石石榴榴石石 (YAG)(YAG)晶晶体体、2323群群的的硅硅酸酸钴钴(BSO)(BSO)和和锗锗酸酸钴钴(BGO)(BGO)晶体晶体。方晶类声光晶体方晶类声光晶体掺钕钇铝石榴石晶体掺钕钇铝石榴石晶体光学单轴声光晶体这这类类晶晶体体目目前前可可见见波波段段声声光光材材料料中中性性能能较较好好的的晶晶体体。主主要要有有三三方方晶晶系系的的铌铌酸酸铅铅(LN)(LN)，四四方方晶晶系系的的铟铟酸酸铅铅（PMPM），氧氧化化碲碲(TeO(TeO2 2)和和氯氯化化汞汞(HgCl(HgCl2 2)，以以及及六六方方晶晶系系的的蓝蓝宝宝石石。这这类类晶晶体体比比较较容
33、容易易生生长长，但但不不易易获获得得太太大大的的尺尺寸寸。其其中中四四方方晶晶系系的的 PMPM和和TeOTeO2 2因因为为有有较较大大弹弹光光系系数数及及高高的的折折射射率率，因因而而有有很很高高的的品品质质因因子子，是是应应用最广的声光晶体。用最广的声光晶体。光学双轴声光晶体这这类类晶晶体体对对称称性性较较低低，因因而而有有强强的的各各向向异异性性。这这提提供供了了优优化化器器件件的的较较大大自自由由度度，但但也也给给器器件件设设计计和和应应用用带带来来许许多多不不便便。此此外外，低低的的对对称称性性使使晶晶体体生生长长较较困困难难。其其典典型型晶晶体体是是正正交交晶晶系系的的碘碘酸酸(
34、a(a一一HIOHIO3 3),),它它各各方方向向的的品品质质因因子子差差别别很很大大，从从而而提提供供多多种种器器件件设设计计方方案案，但但其其晶晶体体光光学学质质量量太太差差，限限制制了了它它的的应应用用。溴溴化化铅铅(PbBr(PbBr2 2)是是透透过过波波段段包包括括可可见见到到中中红红外外的的优优秀秀声声光光晶晶体体，具具有有很很高高的的声声光光品品质质因因子子，晶晶体体质质量量也也较较好好，目前正在研究开发中。目前正在研究开发中。半导体类声光晶体这这类类晶晶体体透透过过波波段段深深入入到到红红外外，是是在在红红外外波波段段应应用用的的主主要要声声光光晶晶体体。其其折折射射率率大
35、大，弹弹光光系系数数也也较较大大，因因而而品品质质因因子子是是所所有有声声光光材材料料中中最最高高的的。但但由由于于半半导导体体材材料料的的声声损损耗耗较较大大，因因而而带带宽宽并并不不太太高高。属属于于这这类类晶晶体体的的有有三三方方的的硫硫化化砷砷铂铂(TAS)(TAS)和和硫硫化化砷砷银银 (Ag(Ag3 3AsSAsS3 3)，它它们们被被认认为为是是目目前前最最好好的的红红外外声声光光材材料料。立立方方的的碲碲(Te)(Te)和和锗锗(Ge)(Ge)单晶也是红外波段常用的声光材料。单晶也是红外波段常用的声光材料。声光晶体的应用声光晶体的应用声光调制器声光调制器声光调制声光调制是利用声
36、光效应将信息加载于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光频载波上的一种物理过程,调制信号调制信号是以电信号是以电信号(调幅调幅)的形式作用于电声换的形式作用于电声换能器上能器上,当光波通过声光介质时当光波通过声光介质时,光载光载波受到调制而成波受到调制而成“携带携带”信息的调制波。信息的调制波。声光调制器声光调制器声光晶体的应用声光晶体的应用目前，声光晶体还广泛地应用于光电子目前，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技代光学和激光技术中主要用作Q Q开关、开关、光强度调制器、光位相调制器、光术、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，
37、以激光技术、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、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激光锁模以及大屏幕显示的靶面等。光学窗口晶体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。另一类值得用在光的发射、处理和接收部分。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注意的光学窗口晶体是近年来发展的纤维晶体和光波
38、导用晶体，在光学回路中重要用在光的和光波导用晶体，在光学回路中重要用在光的传输、变换和分支等。传输、变换和分支等。光学窗口晶体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、高
39、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。红外透过材料的氟化钙晶体、氟化钡晶体等。某些半导体材料如某些半导体材料如GaAsGaAs、ZnSZnS及及ZnSeZnSe等，也是中红外的等，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，是优良透过材料，这类化合物机械强度高，不潮解，是高功率高功率CO2CO2激光的优良输出窗口材料，缺点是表面反射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。大，透过率受到限制。在氧化物窗口材料中，最重要的是在氧化物窗口材料中，最重要的是SiO2SiO2晶体和晶体和Al2O3Al2O3晶晶体。这些材料不仅
40、能承受高、低温度的激烈变化，而体。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、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。通讯导航设备以及传感器。金属卤化物晶体金属卤化物晶体 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，
41、简直是氟化物的天下，主要的晶体有CaF2、BaF2晶体。氟化铈氟化铈晶体晶体高温氧化物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。蓝宝石蓝宝石晶体晶体磁光晶体磁光晶体 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，阿喇戈发现的偏振光通过石光性
42、现象开始的，阿喇戈发现的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，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，简称种晶体称为磁旋光晶体，简称磁光晶体磁光晶体。法拉第效应法拉
43、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。法拉第效应法拉第效应近几年各种磁光晶体材料的研发以及数据近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，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。主要应用于制作率高。主要应用于制作光隔离器、
44、光非互光隔离器、光非互易元件、磁光存储器及磁光调制器、光纤易元件、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、运算和传输功能、磁光显示、磁光记录、微波新型器件、激光陀螺微波新型器件、激光陀螺等。等。基于磁光晶体材料的器件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
45、通过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
46、可作为光学信息的存储介质。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）。铌酸锶钡铌酸锶钡晶体晶体光致折变晶体光致折变晶体非线性晶体非线性晶体 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，
47、物质的内部极化率的非线性响应会对光波产生反作用，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。K
48、DP晶体晶体 磷酸二氢钾磷酸二氢钾(KDP)(KDP)晶体是一种最早受到晶体是一种最早受到人们重视的功能晶体，人工生长人们重视的功能晶体，人工生长KDPKDP晶晶体已有半个多世纪的历史，是经久不体已有半个多世纪的历史，是经久不衰的水溶性晶体之一。衰的水溶性晶体之一。KDPKDP晶体的透光晶体的透光波段为波段为178nm178nm1.45um1.45um，是负光性单轴，是负光性单轴晶，其非线性光学系数晶，其非线性光学系数d36d36（1.064um1.064um）=0.39pm/V=0.39pm/V，常常作为，常常作为标准来比较其他晶体非线性效应的大标准来比较其他晶体非线性效应的大小，可以实现小
49、，可以实现类和类和类位相匹配，类位相匹配，并且可以通过温度调谐来实现非临界并且可以通过温度调谐来实现非临界位相匹配位相匹配(包括四倍频和和频包括四倍频和和频)。大尺寸大尺寸KDP晶体晶体KTP晶体晶体 磷酸钛氧钾磷酸钛氧钾(KTP)(KTP)晶体是一种具有优良的非线性光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学性质、已得到了广泛重视和应用的非线性光学晶体。体。KTPKTP晶体是正光性双晶，其透光波段为晶体是正光性双晶，其透光波段为350nm350nm4.5um4.5um，可以实现，可以实现1.064um1.064um钕离子激光及其他波段钕离子激光及其他波段激光倍
50、频、和频、光参量振荡的位相匹配激光倍频、和频、光参量振荡的位相匹配(一般采一般采用用类位相匹配类位相匹配)。其非线性系数。其非线性系数d31d31、d32d32、d33d33分分别为别为1.41.4、2.652.65和和10.7pm/V10.7pm/V，d33d33是是KDPKDP晶体晶体d36d36的的2020余倍。余倍。KTPKTP晶体有较高的抗光损伤阈值，可以用于晶体有较高的抗光损伤阈值，可以用于中功率激光倍频等。中功率激光倍频等。KTPKTP晶体有良好的机械性质和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，熔点约理化性质，不溶于水及有机溶剂，不潮解，熔点约1150115