Некоторые прозрачные кристаллические материалы обладают высокой нелинейной поляризацией. Квадратичная нелинейность используется в параметрической конверсии частоты (удвоение частоты, оптические параметрические осцилляторы), и в электрооптических модуляторах. Нелинейность третьей степени является основой эффекта Керра, Рамана, смешении четырех оптических волн.
Существенные свойства нелинейных кристаллов для конверсии частоты излучения:
- хроматическая дисперсия и двулучепреломление определяют фазовый синхронизм и ширину фазового синхронизма, угловое рассогласование для критического фазового синхронизма;
- величина эффективного нелинейного коэффициента, который определяется нелинейными компонентами тензора поляризации и конфигурацией фазового синхронизма, важна при малых уровнях оптической мощности;
- высокая прозрачность для всех включенных в процесс длин волн.
Дополнительные свойства, важные для сравнения различных материалов:
- возможность периодической полировки для достижения фазового квазисинхронизма, что в 10-20 раз увеличивает эффективность преобразования частоты;
- линейное поглощение, приводит к перегреву при высоких плотностях мощности, что нарушает фазовый синхронизм и приводит к эффекту термолинзы;
- выдерживаемая плотность мощности, сопротивление появлению серых треков, фотоиндуцированное поглощение (нелинейность, обусловленная изменением поглощения при высоких плотностях мощности);
- сопротивление фотопреломляющему эффекту (нелинейность, обусловленная изменением показателя преломления при высоких плотностях мощности);
- доступность кристалла, его цена, технологичность, возможность выращивания былей большого размера;
- степень сложности нанесения просветляющих покрытий;
- химическая стойкость, некоторые нелинейный кристаллы гигроскопичны, некоторые изменяют химический состав при нагреве в вакуумной камере нанесения диэлектрического покрытия.
Порой выбор наиболее подходящего под решаемую задачу нелинейного кристалла весьма нетривиальная задача, необходимо принимать во внимание огромное количество различных факторов. Например, высокое значение коэффициента квадратичной нелинейности для преобразования частоты в лазерах ультракоротких импульсов не имеет значения, если длина взаимодействия сильно ограничена большим рассогласованием групповой скорости и низкой допустимой плотностью мощности. Также обычно стараются использовать материалы, в которых фазовый синхронизм достигается при комнатной температуре, в ином случае приходится использовать специальные температурно-стабилизированные печи, что сильно усложняет конструкцию лазера.
Распространенные нелинейные кристаллы:
- Ниобат лития (LiNbO3) и танталат лития (LiTaO3) – кристаллы с относительно сильной квадратичной нелинейностью, часто используются для преобразования частоты и в электрооптических модуляторах. Оба материала доступны в конгруэнтной и стехиометрической формах, основное отличие - возможность периодической полировки и сила фотопреломляющего эфеекта. Эти материалы наиболее часто используются для периодической полировки, такие материалы обозначаются PPLN, PPLT для конгруэнтной формы и PPSLN, PPSLT для стехиометрической формы. Эти кристаллы имеют невысокий предел допустимой плотности мощности излучения, однако не используются при больших интенсивностях, так как имеют высокое значение квадратичной нелинейности. Им присущ фотопреломляющий эффект, нежелательный для конверсии частоты, но используемый для хранения голографической информации к кристаллах LiNbO3, легированных железом. Тенденция к разрушению из-за фотопреломляющего эффекта может быть снижена легированием кристалла MgO или использованием стехиометрической формы кристалла.
- Ниобат калия (KNbO3) имеет высокую нелинейность, используется для удвоения частоты до голубых длин волн, а также используется как пьезоэлектрик.
- Титанил-фосфат калия (KTP, KTiOPO4) может выращиваться из раствора (дешевле) или гидротермически (лучше для высокомощных применений, лучше сопротивляется появлению серых треков). Схожие по свойствам и составу материалы: KTA (KTiOAsO4), RTP (RbTiOPO4), RTA (RbTiAsPO4). Эти материалы имеют высокий коэффициент квадратичной нелинейности и пригодны для периодической полировки.
- Дигидрофосфат калия (KDP, KH2PO4) и дидейтерофосфат калия (KD*P или DKDP, KD2PO4) доступны в больших габаритах по низкой цене. Имеют высокую однородность и высокий порог допустимой плотности мощности, однако, малый нелинейный коэффициент преобразования.
- Большое количество боратов является нелинейными кристаллами, наиболее важные представители: триборат лития (LBO, LiB3O5), CLBO (CsLiB6O10), ?-BBO (? – BaB2O4, очень гигроскопичен, часто используется в ячейках Поккельса), BIBO (BiB3O6), CBO (CSB3O5). YCOB (кальций оксиборат легированный иттрием) также используется как активная среда, при этом одновременно используется для преобразования длины волны. Более редко используются SBBO (Sr2Be2B2O7), KAB (K2Al2B2O7). Бораты подходят для получения весьма малых длин волн, вплоть до ультрафиолета, так как ширина запрещенной зоны этих кристаллов высока, кристаллы выдерживают УФ излучение и соблюдаются условия фазового синхронизма при УФ. LBO и BBO также используются в качестве широко перестраиваемых оптических параметрических осцилляторов и оптических параметрических чирп усилителей.
- Для диапазона длин волн в среднем ИК (до терагерц) могут потребоваться нелинейные материалы с расширенным в ИК области пропусканием. Наиболее распространенные такие материалы – цинк германия дифосфат (ZGP, ZnGeP2), сульфид или селенид галлиевого серебра (AgGaS2, AgGaSe2), селенид галлия (GaSe), селенид кадмия (CdSe). Арсенид галлия чаще используется в средней ИК области, так как в нем может быть получен фазовый квазисинхронизм.
Для снижения рассогласования групповой скорости в оптических автокорреляторах при измерениях длительности сверхкоротких импульсов используют нелинейные кристаллы очень малой толщины, меньше 1мм. Такие тонкие кристаллы, как правило, сажают на оптический контакт с другой средой (например, кварцевое стекло), а затем нелинейный кристалл полируют до достижения нужной толщины (вплоть до 20мкм). Рассогласование групповой скорости в стекле нет, так как нелинейное взаимодействие происходит только в тонком нелинейном кристалле. Стеклянная подложка необходима для обеспечения механической прочности и стабильности тонкого нелинейного компонента.
В некоторых случаях используются отдельно стоящие тонкие пластины из нелинейного кристаллы, толщиной до 30мкм.