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Nichtlinearer Kristall KNbO3zur Erzeugung von gepulstem Laserlicht im nahen Infrarot in der zweiten Harmonischen

KNbO3Kristall ist eine Sauerstoff-Oktaeder Ferroelektrik mit perovskitter Struktur. Aufgrund seines großen nichtlinearen optischen Koeffizienten (d31= 15,8 pm / V; d32= 18,3 pm / V), seines breiten Transparenzbereichs (0,4 bis 5 mm) und seiner Freiheit von photorefraktiven Effekten ist es ein guter Kandidat für die nichtlineare Frequenzumwandlung unter Verwendung von QPM. KNbO3-Kristalle haben einen durchschnittlichen Brechungsindex von 2,2. Der theoretische Wert des normalen einfallenden Reflexionsvermögens beträgt 14% und die theoretische Durchlässigkeit mehr als 80%. Aufgrund seiner hohen (nichtlinearen) Koeffizienten zweiter Ordnung und günstiger Phasenanpassungseigenschaften ist KNbO3das Material der Wahl zur Verdoppelung von Laserdioden mit geringer Leistung im Wellenlängenbereich nahe 860 nm. Ti: Saphir-Laser im Bereich von 850 bis 1000 nm, und Nd: YAG-Laser bei 1064 nm. Darüber hinaus kann KNbO3für die optische parametrische Schwingung verwendet werden, wenn es von Nd: YAG-Lasern entweder mit der Grundwellenlänge oder der Wellenlänge der zweiten Harmonischen gepumpt wird, wodurch im Spektralbereich im nahen IR zwischen 0,7 und 3 μm abstimmbare Strahlung erzeugt wird.

Der Festkörper-Blaugrünlaser weist eine stabile Leistung, eine kompakte Struktur und Integrierbarkeit auf, was ihm eine gute Anwendungsperspektive für optische Speicher, optische Kommunikation und medizinische Laserinstrumente usw. bietet. Derzeit ist er ein Forschungs-Hotspot auf der Welt. Ein praktikabler Weg, um dieses Ziel zu erreichen, besteht darin, blaues und grünes Licht zu erzeugen, das von einer Halbleiter-Frequenzverdopplung im nahen Infrarot ausgegeben wird. Derzeit ist der Kristall, der die Halbleiterfrequenz im nahen Infrarotlaser oktavieren kann, Kaliumniobat (KNbO3). KNbO3ist ein interessantes nichtlineares Material für optische und elektrooptische Anwendungen. Die Erzeugung der zweiten Harmonischen, das Mischen der Summenfrequenz und die optische parametrische Schwingung sind wichtige Prozesse zur Umwandlung verfügbarer Laserwellenlängen in den blaugrünen und den nahen IR-Spektralbereich.

Parameter

Chemische FormelKNbO3
Kristall StrukturOrthorhombisch, mm2
Gitter Parametera = 5.6896Å, b = 3.9692Å, c = 5.7256Å
Massen Dichte4.617 g/cm3
Schmelz Punkt1333 K
Curie-Temperatur498 K
Zuordnung von dielektrischen und kristallographischen AchsenX, Y, Z ⇒ b, a, c
Spezifische Wärmekapazität cp bei P = 0,101325 MPacp = 767 J/kgK
Wärme Leitfähigkeits Koeffizientκ > 3.5 W/mK
Wärme Ausdehnungaa=5.010×10-6/℃; ab=1.410×10-5/℃; ac=5.010×10-7/℃
EigenschaftWert
Transparenzbereich400-5500 nm
IR-Grenz Wellenlänge5.5 μm
Absorptions Verlust<=1%/cm bei 1064 nm
Schadensschwelle<= 4 J / cm² bei 527 nm (500 ps, Einzelpuls)
<= 6 J / cm² bei 1054 nm (700 ps, Einzelpuls)
EigenschaftWert
Nichtlinearer Optischer Koeffizientd31 = -15,8 pm / V, d32 = -18,3 pm / V bei 1064 nm
Die kürzeste SHG-Wellenlänge425 nm (Typ NCPM, y-Schnitt oder a-Schnitt)
Akzeptanzwinkel für Typ Ⅰ SHG von 1064 nmDq = 0,24 mrad / cm (intern)
Akzeptanz Temperatur für Typ Ⅰ SHG von 1064 nm DT=0.3 ℃/cm
λ [μm]α [cm−1]Hinweis
0.4230.13 ± 0.02entlang a-Achse E || c
0.458–0.5150.04–0.07 
0.8–1.10.001–0.003 
0.820.015 
0.8460.000034 ± 0.000022entlang a-Achse E || b
1.06420.0018–0.0025entlang b-Achse
30.05entlang c-Achse
 0.03entlang a-Achse
3.50.05entlang c-Achse
 0.02entlang a-Achse
40.08entlang c-Achse
 0.08entlang a-Achse
4.50.27entlang c-Achse
 0.45entlang a-Achse
51.21entlang c-Achse
 1.85entlang a-Achse
5.57.6entlang c-Achse
 4.9entlang a-Achse
λ [μm]τp [ns]β × 1011[cm/W]
0.846CW320 ± 50
λ [μm]nXnYnZ
0.432.49742.41452.2771
0.4882.41872.35272.2274
0.5142.39512.33372.2121
0.6332.32962.28012.1687
0.862.27842.23722.1338
1.0642.25762.21952.1194
1.52.23412.19922.1029
22.21592.18322.0899
2.52.19812.16742.0771
32.17852.14982.063
λ [μm]γ × 1015[cm2/W]Hinweis
0.851.87 ± 0.35entlang Y
XY-Ebenedeeo = d32sin2 φ + d31cos2 φ
YZ-Ebenedooe = d32sin θ
XZ-Ebene, θ <Vzdoeo = deoo= d31 sin θ
XZ-Ebene, θ > Vzdooe = d31sin θ
|d32(0.852 μm)| = 11.0 ± 0.6 pm/V
|d33(0.852 μm)| = 22.3 ± 1.1 pm/V
|d24(1.064 μm)| = 12.5 ± 0.6 pm/V
|d32(1.064 μm)| = 10.8 ± 0.6 pm/V
|d33(1.064 μm)| = 19.6 ± 1.0 pm/V
|d32(1.313 μm)| = 9.2 ± 0.5 pm/V
|d33(1.313 μm)| = 16.1 ± 0.8 pm/V
|d15(1.064 μm)| = (41.2 ± 0.8) × d11(SiO2) = 12.4 ± 0.2 pm/V
|d24(1.064 μm)| = (42.8 ± 0.8) × d11(SiO2) = 12.8 ± 0.2 pm/V
|d31(1.064 μm)| = (39.5 ± 0.6) × d11(SiO2) = 11.9 ± 0.2 pm/V
|d32(1.064 μm)| = (45.7 ± 0.6) × d11(SiO2) = 13.7 ± 0.2 pm/V
|d33(1.064 μm)| = (68.5 ± 0.6) × d11(SiO2) = 20.6 ± 0.2 pm/V
Wechselwirkende Wellenlängen [μm]φexp [deg]θexp [deg]
XY-Ebene, θ = 90◦
SHG, e + e ⇒ o
0.946 ⇒ 0.473≈30 
4.7599 ⇒ 2.3799569.9 
YZ-Ebene, φ = 90◦
SHG, o + o ⇒ e
0.86 ⇒ 0.43 83.5
0.89 ⇒ 0.445 70.7
0.92 ⇒ 0.46 64
0.94 ⇒ 0.47 60.5
1.0642 ⇒ 0.5321 46.4
1.3188 ⇒ 0.6594 30.6
1.3382 ⇒ 0.6691 29.7
3.5303 ⇒ 1.76515 37.3
4.7291 ⇒ 2.36455 77.3
SFG, o + o ⇒ e
1.3188 + 0.6594 ⇒ 0.4396 62.3
1.3188 + 1.0642 ⇒ 0.5889 37.7
4.7762 + 3.1841 ⇒ 1.9105 46.6
5.2955 + 3.5303 ⇒ 2.1182 59.5
XZ-Ebene, φ = 0◦, θ> Vz
SHG, o + o ⇒ e
1.0642 ⇒ 0.5321 70.4
1.3188 ⇒ 0.6594 56.8
1.3382 ⇒ 0.6691 56.2
3.5303 ⇒ 1.76515 58.8
SFG, o + o ⇒ e
1.3188 + 1.0642 ⇒ 0.5889 62.6
5.2955 + 3.5303 ⇒ 2.1182 86.1
Wechselwirkende Wellenlängen [μm]T [◦C]
entlang der X-Achse
SHG, Typ I
0.972 ⇒ 0.486−20
0.982 ⇒ 0.49118.7
0.986 ⇒ 0.49320
0.988 ⇒ 0.49420
1.047 ⇒ 0.5235162
1.0642 ⇒ 0.5321178
entlang der Y-Achse
SHG, Typ I
0.8385 ⇒ 0.41925−34.2
0.8406 ⇒ 0.4203−28.3
0.842 ⇒ 0.421−22.8
0.846 ⇒ 0.423-11.5
0.856 ⇒ 0.42815
0.857 ⇒ 0.428520
0.8593 ⇒ 0.4296520
0.86 ⇒ 0.4322
0.8615 ⇒ 0.4307530
0.862 ⇒ 0.43134
0.879 ⇒ 0.439570
0.9289 ⇒ 0.46445158
0.95 ⇒ 0.475180
SFG, Typ I
0.6764 + 1.0642 ⇒ 0.41355-4
0.6943 + 1.0642 ⇒ 0.4201727.2
Wechselwirkende Wellenlängen [μm]T [◦C]θpm [deg]Δθint [deg]Δφint [deg]
XZ-Ebene, φ = 0◦
SHG, o + o ⇒ e
1.0642 ⇒ 0.532120710.013–0.014 
Entlang der Y-Achse
SHG, Typ I
0.857 ⇒ 0.428520900.6591.117
Wechselwirkende Wellenlängen [μm]T [◦C]θpm [deg]ΔT [◦C]
entlang der X-Achse
SHG, Typ I
0.982 ⇒ 0.49118.7900.95
1.0642 ⇒ 0.5321181900.27–0.32
entlang der Y-Achse
SHG, Typ I
0.8385 ⇒ 0.41925−34.2900.27
0.842 ⇒ 0.421−22.8900.3
0.855 ⇒ 0.427526.4900.265
0.92 ⇒ 0.46163.5900.285
SFG, Typ I
0.6764 + 1.0642 ⇒ 0.41355-4900.35
Wechselwirkende Wellenlängen [μm]θexp[deg]ΔT [◦C]
YZ-Ebene, φ = 90◦
SHG, o + o ⇒ e
1.0642 ⇒ 0.532146.40.39
1.3382 ⇒ 0.669129.70.59
3.5303 ⇒ 1.7651537.12.3
SFG, o + o ⇒ e
5.2955 + 3.5303 ⇒ 2.118259.52.4
XZ-Ebene, φ = 0◦, θ> Vz
SHG, o + o ⇒ e
1.0642 ⇒ 0.532171.40.77
1.3382 ⇒ 0.669156.22.2
3.5303 ⇒ 1.7651558.110.1
Entlang der X-Achseλ1 = 0.97604 + 2.53 × 10−4T + 1.146 × 10−6 T2
Entlang der Y-Achseλ1 = 0.85040 + 2.94 × 10−4T + 1.234 × 10−6 T2
Entlang der X-Achse (1.0642 μm ⇒ 0.5321 μm)1.10 × 10−4K−1
Entlang der Y-Achse (0.92 μm ⇒0.46 μm)1.43 × 10−4K−1
λ [μm]τp [ns]Ithr [GW/cm2]Hinweis
0.5270.58.8–9.4entlang der b-Achse, E||c
 12–15entlang der b-Achse, E⊥c
0.5321250.15–0.18 
100.055 
0.80.0002>2001 kHz
1.04711>0.034 kHz, 2000 Stunden
1.0540.711entlang der a-Achse, E⊥c
 18entlang der b-Achse, E⊥c
 37entlang der b-Achse, E||c
1.0642250.15–0.18 
 0.1>100 
KNbO3 Temperatur änderung des PhasenanpassungswinkelsKNbO3-Dispersion des Brechungs Index bei Raum Temperatur
KNbO3-Transmissions SpektrumKNbO3-optische Absorption
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