KTP Титанил-Фосфат Калия
Введение
Титанил-фосфат калия (KTiOPO4 или KTP) широко используется как в коммерческих, так и в военных лазерах, включая лабораторные и медицинские системы, дальномеры, лидар, оптические средства связи и промышленные системы.
Особенности кристалла KTP
- Высокий нелинейно-оптический коэффициент
- Широкий диапазон входной угловой апертуры и малый угол отклонения
- Широкий диапазон допустимой температуры и допустимой ширины спектра
- Высокий электрооптический коэффициент и малая диэлектрическая постоянная
- Высокий показатель качества
- Негигроскопичность, химическая и механическая стабильность
Таблица 1. Химические и структурные свойства
|
Структура кристалла |
Ромбическая, Пространственная группа Pna21, точечная группа mm2 |
|
Параметры решетки |
a=6,404 Å, b=10,616 Å, c=12,814 Å, Z=8 |
|
Температура плавления |
Около 1172°C |
|
Твердость по шкале Мооса |
5 |
|
Плотность |
3,01 г/см3 |
|
Теплопроводность |
13Вт/м/°K |
|
Коэффициенты теплового расширения |
αx=11×10-6/°C, αy=9×10-6/°C, αz=0,6×10-6/°C |
Таблица 2. Оптические и нелинейно-оптические свойства
|
Диапазон прозрачности |
350-4500 нм |
|
Диапазон согласования фаз SHG |
497-1800 нм (Тип II) |
|
Термо-оптический коэффициент (/°C) |
dnx/dT=1,1×10-5 dny/dT=1,3×10-5 dnz/dT=1,6×10-5 |
|
Коэффициенты поглощения |
<0,1%/см для 1064 нм <1%/см для 532 нм |
|
Для SHG Тип II лазера на Nd:YAG с длиной волны 1064 нм |
Допустимая температура: 24°C·см Допустимая ширина спектра: 0,56 нм·см Допустимая входная угловая апертура: 14,2 мрад·см (φ); 55,3 мрад·см(θ) Угол отклонения: 0.55° |
|
Нелинейно-оптические коэффициенты |
deff(II) ≈ (d24 – d15)sin(2φ) sin(2θ) – (d15sin2(φ)) + d24cos2(φ))sin (θ) |
|
Неисчезающие нелинейно-оптические восприимчивости |
d31=6,5 пм/В d24=7,6 пм/В d32=5 пм/В d15=6,1 пм/В d33=13,7 пм/В |
|
Уравнения Зельмейера (λ в мкм) |
nx 2=3,0065+0,03901/(λ2-0,04251)-0,01327 λ 2
ny 2=3.0333+0.04154/(λ 2-0.04547)-0,01408 λ 2
nz 2=3,0065+0,05694/(λ2-0,05658)-0,01682λ2
|
|
Электрооптические коэффициенты: |
Низкая частота (пм/В) Высокая частота (пм/В) |
|
r13 |
9,5 8,8 |
|
r23 |
15,7 13,8 |
|
r33 |
36,3 35,0 |
|
r51 |
7,3 6,9 |
|
r42 |
9,3 8,8 |
|
Диэлектрическая постоянная: |
εeff=13 |
Применение для генерации второй гармоники (SHG) и генерации суммарной частоты (SFG) лазеров на Nd:
KTP является наиболее часто используемым материалом для удвоения частоты лазеров на Nd:YAG и других лазеров легированных Nd, особенно когда их плотность мощности находится на низком или среднем уровне. На сегодняшний день удвоение частоты вне и внутри резонатора лазеров на Nd: с использованием KTP стало предпочтительным источником накачки для видимых лазеров на красителях и настраиваемых лазеров на Ti:Sapphire, а также их усилителей. Они также используются в качестве «зеленых» источников для многих исследовательских и промышленных приложений.
- Зеленый лазер с мощностью 700 мДж и эффективность преобразования более 80% были получены с помощью лазеров на Nd:YAG в импульсном режиме с модуляцией добротности и энергией 900 мДж с использованием внешнего резонатора с KTP.
- Зеленый лазерное излучение мощностью 8 Вт генерировалось из лазера с диодной накачкой на Nd:YVO4 с мощностью 15 Вт с помощью внутрирезонаторного KTP.
- «Зеленое» выходное излучение мощностью 200 мВт генерировалось лазерами с диодной накачкой на Nd:YVO4 с мощностью 1 Вт, используя кристалл KTP размером 2x2x5 мм3 и кристалл Nd: YVO4 размером 3x3x1 мм3.
- «Зеленое» выходное излучение мощностью 2-5 мВт генерировалось склеенными кристаллами Nd:YVO4 и KTP с лазерной накачкой мощностью 180 мВт. Для получения дополнительной информации.
КТР также используется для внутрирезонаторного смешивания диода с длиной волны 0,81 мкм и лазера на Nd:YAG с длиной волны 1,064 мкм для генерации синего света и внутрирезонаторной SHG лазеров на Nd:YAG или Nd:YAP с длиной волны 1,3 мкм для получения красного света.
 |
 |
Применение для оптического параметрического генератора (OPG), усилителя (OPA) и осциллятора (OPO)
В качестве эффективного кристалла для OPO, накачиваемого лазером на Nd: и его вторыми гармониками, KTP играет важную роль для параметрических источников настраиваемого излучения от видимого (600 нм) до среднего ИК (4500 нм) диапазона, как показано на Рис.3 и Рис.4.
Как правило, OPO на основе KTP обеспечивают стабильное и непрерывное импульсное излучение (сигнальное и промежуточное) в фс диапазоне длительностей, с частотой повторения 108 Гц и средним уровнем мощности в районе милливатт. OPO на основе KTP, накачиваемый лазером на Nd:YAG с длиной волны 1064 нм, обеспечивает эффективность при дегенеративном преобразовании до 2120 нм больше 66%.
 |
Новейшее разрабатываемое применение – это некритическая согласование фаз (NCPM) в OPO/OPA на основе KTP. Как показано на Рис.5, для диапазона длины волны накачки от 0,7 мкм до 1 мкм выходное излучение может охватывать от 1,04 до 1,45 мкм (сигнал) и от 2,15 мкм до 3,2 мкм (промежуточное излучение). Эффективность преобразования более 45% была достигнута с узкой полосой пропускания и хорошим качеством луча. |
Применение в электрооптических (EO) устройствах
Помимо уникальных нелинейно-оптических (NLO) особенностей, KTP также обладает перспективными EO и диэлектрическими свойствами, которые сопоставимы с LiNbO3. Эти свойства позволяют KTP быть чрезвычайно полезным для различных EO устройств. В Таблице 1 представлено сравнение KTP с другими широко используемыми материалами для EOмодуляторов:
Таблица 1. Материалы для EO модуляторов
|
Материал |
Фаза |
Амплитуда |
||||||
|
|
ε |
N |
R(пм/В) |
k (10-6/°C) |
N7r2/ε(пм/В)2 |
r(пм/В) |
k(10-6/°C) |
n7r2/ ε (пм/В)2 |
|
KTP LiNbO3 KD*P LiIO3 |
15,42 27,9 48,0 5,9 |
1,80 2,20 1,47 1,74 |
35,0 8,8 24,0 6,4 |
31 82 9 24 |
6130 7410 178 335 |
27,0 20,1 24,0 1,2 |
11,7 42 8 15 |
3650 3500 178 124 |
Из Таблицы 1 видно, что KTP, как ожидается, может заменить кристалл LiNbO3 в значительном количестве различных применений EO модуляторов, если учитывать другие достоинства KTP, такие как высокая лучевая стойкость, широкая оптическая ширина полосы (>15 ГГц), тепловая и механическая стабильность, низкие потери и т. д.
Применение для оптических волноводов
Основываясь на процессе ионного обмена на подложке KTP, оптические волноводы с малыми потерями, разработанные для KTP, создали новые приложения в интегрированной оптике. В Таблице 2 приведено сравнение KTP с другими материалами для оптических волноводов. В последнее время эффективность преобразования SHG типа II составляла 20%/Вт/см2 благодаря сбалансированному согласованию фаз, в котором несоответствие фаз в одной секции было сбалансировано несоответствием фаз с противоположным знаком во второй секции. Кроме того, сегментированные волноводы на основе КТР были применены в SHG Типа I с фазовым квази-согласованием перестраиваемого лазера на Ti:Sapphire в диапазоне 760-960 нм и диодных лазеров с прямым удвоением частоты для выходного излучения 400-430 нм.
Таблица 2. Материалы для EO волноводов
|
Материалы |
r (пм/В) |
n |
εeff (ε11 ε33)1/2 |
n3r/ εeff |
|
KTP |
35 |
1,86 |
13 |
17,3 |
|
LiNbO3 |
29 |
2,20 |
37 |
8,3 |
|
KNbO3 |
25 |
2,17 |
30 |
9,2 |
|
BNN |
56 |
2,22 |
86 |
7,1 |
|
BN |
56-1340 |
2,22 |
119-3400 |
5,1-0,14 |
|
GaAs |
1,2 |
3,6 |
14 |
4,0 |
|
BaTiO3 |
28 |
2,36 |
373 |
1,0 |
Отправить ответ
Оставьте первый комментарий!
Вы должны быть зарегистрированы чтобы оставить комментарий
Вы должны быть зарегистрированы чтобы оставить комментарий