Hoher nichtlinearer optischer Koeffizient

Kaliumtitanylphosphat (KTP)-Kristall

BBO-Kristall (β-Bariumborat, β-BaB₂O₄), ein trigonaler nichtzentrosymmetrischer nichtlinearer optischer Kristall, ist bekannt für die Erzeugung der 2.–5. Harmonischen von Nd:YAG-Lasern mit Wirkungsgraden von bis zu 70 % (SHG, 532 nm), 60 % (THG, 355 nm), 50 % (FHG, 266 nm) und einem Rekord von 200 mW bei 213 nm (FFHG). Seine überlegene Leistung beruht auf einem breiten Transparenzbereich (189–3500 nm), einem hohen nichtlinearen Koeffizienten (d₁₁ = 2,6 pm/V bei 1064 nm→532 nm), einer geringen Photorefraktivität und Nichthygroskopizität, was ihn für die UV-Lithografie, die Lasermikrobearbeitung und die medizinische Optik unverzichtbar macht.

LBO-Kristall, kurz für Lithiumtriboratkristall, ist ein bemerkenswerter nichtlinearer optischer Kristall. Mit der chemischen Formel LiB₃O₅ verfügt er über einen breiten Transparenzbereich von 155 bis 3200 nm und ermöglicht die Interaktion mit verschiedenen Laserquellen. Er verfügt über eine hohe Zerstörschwelle und hält intensiven Laserstrahlen ohne Leistungseinbußen stand, was für Hochleistungslaseranwendungen entscheidend ist. LBO-Kristall weist zudem eine hervorragende optische Homogenität auf. Er wird häufig zur Frequenzverdopplung und -verdreifachung von gepulsten Lasern mit hoher Spitzenleistung sowie in optischen parametrischen Oszillatoren eingesetzt. Seine herausragenden Eigenschaften machen ihn zu einem unverzichtbaren Bestandteil optischer Systeme wie medizinischen Lasern, Laserdisplays und optischen Datenspeichern.

KTP-Kristall wird hauptsächlich als nichtlinearer Kristall zur Frequenzverdopplung von Festkörperlasern aus Nd:YAG- oder Nd:YVO4-Kristallen verwendet, da er hohe nichtlineare optische Koeffizienten, eine große Winkelbandbreite, einen kleinen Walk-Off-Winkel sowie eine breite Temperatur- und Spektralbandbreite aufweist. KTP-Kristalle zeichnen sich außerdem durch einen hohen elektrooptischen (EO) Koeffizienten, eine niedrige Dielektrizitätskonstante und eine hohe Gütezahl aus. Diese Eigenschaften machen ihn auch in elektrooptischen Anwendungen weit verbreitet.

Periodisch gepolter Kaliumtitanylphosphat-Kristall (PPKTP) ist ein ferroelektrischer nichtlinearer Kristall mit einzigartiger Struktur, der eine effiziente Frequenzkonversion durch Quasi-Phasenanpassung (QPM) ermöglicht. Der Kristall besteht aus alternierenden Domänen mit spontaner Polarisation entgegengesetzter Orientierung, wodurch QPM die Phasenfehlanpassung bei nichtlinearen Wechselwirkungen korrigieren kann. Der Kristall eignet sich für die effiziente Konversion aller nichtlinearen Prozesse innerhalb seines Transparenzbereichs.

Lithiumniobat (LiNbO3) wird häufig als elektrooptischer Modulator und Güteschalter für Nd:YAG-, Nd:YLF- und Ti:Saphir-Laser sowie als Modulator für Glasfasern usw. verwendet. Die transversale Modulation wird hauptsächlich für LiNbO3-Kristalle eingesetzt. LiNbO3-Kristalle werden auch häufig als Frequenzverdoppler für Wellenlängen >1 µm und in optischen parametrischen Oszillatoren (OPO) mit einer Frequenz von 1064 nm sowie in quasiphasenangepassten (QPM) Geräten verwendet.

Periodisch gepolter LN-Kristall (PPLN) wird durch die Herstellung des nichtlinearen optischen Kristalls Lithiumniobat (LN) in einer periodisch umgekehrten Domänenstruktur basierend auf der Quasi-Phasenanpassungstheorie (QPM) hergestellt. Dieses einzigartige Strukturdesign ermöglicht spezifische optische Eigenschaften, die für nichtlineare optische Anwendungen entscheidend sind.

Kaliumdihydrogenphosphat (KDP, KH₂PO₄) und Kaliumdideuteriumphosphat (KDP, KD₂PO₄) sind tetragonale nichtlineare optische Kristalle, die häufig für die zweite (532 nm, 60 % Wirkungsgrad), dritte (355 nm) und vierte Harmonische (266 nm) von Nd:YAG-Lasern mittels Phasenanpassung Typ I/II bei Raumtemperatur verwendet werden, wobei KDP einen SHG-Wirkungsgrad von 75 % und eine höhere Zerstörschwelle durch Deuterierung bietet. Als elektrooptische Materialien zeichnen sie sich durch ultrahohe Koeffizienten (r₃₃=23,3 pm/V für KDP), niedrige Halbwellenspannung (~7,6 kV bei 1064 nm) und große Bandbreite (>10 GHz) aus, was Anwendungen in Pockels-Zellen, Modulatoren und Hochleistungslasersystemen wie der Trägheitsfusion ermöglicht, wo die Nichthygroskopizität von KDP die von KDP in rauen Umgebungen übertrifft.

Kalzit (CaCO₃), ein trigonaler negativer einachsiger Kristall mit extremer Doppelbrechung und breiter Transmission (200–2300 nm), ist trotz seiner Weichheit (Mohs 3) und Hygroskopizität das führende Material für polarisierende Optiken im sichtbaren und nahen Infrarotbereich. Es ermöglicht Glan-Taylor/Thompson-Polarisatoren mit Extinktionsverhältnissen >10⁶:1, Strahlverdränger und UV-Wellenplatten und übertrifft im Ultraviolettbereich synthetische Kristalle wie YVO₄, erfordert aber AR-Beschichtungen und Feuchtigkeitskontrolle.

Das Yttriumorthovanadat (YVO4) ist ein positiv einachsiger Kristall, der mit der Czochralski-Methode gezüchtet wurde. Er verfügt über gute mechanische und physikalische Eigenschaften und eignet sich aufgrund seines breiten Transparenzbereichs und seiner hohen Doppelbrechung ideal für optisch polarisierende Komponenten. Er ist ein hervorragender synthetischer Ersatz für Calcit- (CaCO3) und Rutil- (TiO2) Kristalle in vielen Anwendungen, darunter faseroptische Isolatoren und Zirkulatoren, Strahlverdränger, Glan-Polarisatoren und andere polarisierende Optiken usw.

Hochtemperaturform BBO (a-BaB2O4) ist ein negativ einachsiger Kristall. Er weist eine starke Doppelbrechung über den breiten Transparenzbereich von 189 nm bis 3500 nm auf. MT-Optics ist es vor kurzem gelungen, diesen Kristall in großer Größe zu züchten. Die physikalischen, chemischen, thermischen und optischen Eigenschaften des a-BBO-Kristalls sind denen des β-BBO ähnlich. Allerdings gehen die nichtlinearen optischen Eigenschaften des a-BBO-Kristalls aufgrund der zentrischen Symmetrie seiner Kristallstruktur verloren und werden daher für NLO-Prozesse nicht empfohlen.

Mit Neodym dotiertes Gadoliniumvanadat (Nd:GdVO4-Kristalle) gehört zum tetragonalen Kristallsystem und ist ein hervorragendes Lasergrundmaterial für DPSS-Mikro-/Minilaser (Diode Pumped Solid State). Es weist bemerkenswerte physikalische, optische und mechanische Eigenschaften auf. In Bezug auf die Laserleistung weisen Nd:GdVO4-Kristalle eine höhere Steigungseffizienz als Nd:YAG-Kristalle auf. Im Gegensatz zu Nd:YVO4-Kristallen verfügen sie über eine bessere Wärmeleitfähigkeit, was einen stabileren Betrieb unter Hochleistungsbedingungen ermöglicht und eine höhere Leistungsabgabe ermöglicht. Darüber hinaus erleichtert die ausgeprägte optische Anisotropie eine effiziente Polarisationskontrolle in Lasersystemen. Diese Eigenschaften machen Nd:GdVO4-Kristalle besonders geeignet für Anwendungen in kompakten Lasergeräten, wie z. B. medizinischen Lasergeräten, Präzisions-Laserbearbeitungssystemen und fortschrittlichen Laseraufbauten für die wissenschaftliche Forschung, bei denen hohe Effizienz und stabile Leistung entscheidende Anforderungen sind.

Nd:YAG-Kristall ist heute das am häufigsten verwendete Festkörperlasermaterial. Es wird in Mikro-/Mini-DPSS-Lasersystemen (diodengepumpte Festkörper) verwendet, um hochwertige rote, grüne oder blaue Laserstrahlen zu erzeugen. Der blaue Laser aus Nd:YAG-Kristallen ist effizienter und einfacher zu realisieren als der blaue Laser aus Nd:YVO4-Kristallen. Nd:YAG-Kristalle werden außerdem häufig in militärischen, wissenschaftlichen, medizinischen und industriellen Lasersystemen, wissenschaftlichen Hochleistungslasern, Lasertherapie, Kosmetiksystemen, Lasermarkierungen, Laserbohren und anderen Systemen zur Lasermaterialbearbeitung eingesetzt. Insbesondere sind Nd:YAG-Kristalle das beste Lasermaterial für Hochleistungs-, Hochenergie- und gütegeschaltete Pulslasersysteme. Die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten von Nd:YAG-Kristallen in verschiedenen Lasersystemen beruhen auf ihren hervorragenden physikalischen und mechanischen Eigenschaften.

Nd:YVO4 ist einer der effizientesten Laser-Wirtskristalle, die derzeit für diodengepumpte Festkörperlaser verfügbar sind. Sein großer stimulierter Emissionsquerschnitt bei der Laserwellenlänge, sein hoher Absorptionskoeffizient und seine breite Absorptionsbandbreite bei der Pumpwellenlänge, seine hohe laserinduzierte Zerstörschwelle sowie seine guten physikalischen, optischen und mechanischen Eigenschaften machen Nd:YVO4 zu einem hervorragenden Kristall für leistungsstarke, stabile und kostengünstige diodengepumpte Festkörperlaser.

Terbium-Gallium-Granat (TGG) ist das ideale Kristallmaterial für Farady-Bauelemente (Rotator und Isolator). Der Farady-Rotator besteht aus einem TGG-Stab, der in einem speziell entwickelten Magneten gelagert ist. Die Polarisation eines Lichtstrahls, der den Rotator durchläuft, erzeugt eine Rotation. Die Rotationsrichtung hängt ausschließlich von der Richtung des Magnetfelds ab, nicht von der Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls. Der optische Isolator besteht aus einem 45-Grad-Rotator zwischen zwei entsprechend angeordneten Polarisatoren, die den Lichtstrahl nur in eine Richtung passieren lassen. Dank der Kombination hervorragender Eigenschaften wie hoher Verdet-Konstante, geringem Lichtverlust, hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher Lichtzerstörschwelle ist TGG das einzigartige Material für Farady-Bauelemente. Es wird häufig für YAG-Laser, Ti:Saphir-Tunable-Laser, Ringlaser usw. verwendet.

Cr⁴⁺:YAG-Kristall ist ein Kristall mit hervorragender Leistung als passiver Güteschalter für Nd:YAG-, Nd:YLF-, Nd:YVO₄- und andere Neodym- oder Ytterbium-dotierte Laser mit Wellenlängen von 0,8 bis 1,2 μm. Mit einem passiven Güteschalter oder einem sättigbaren Absorber können ausreichend Laserpulse erzeugt werden, ohne dass ein elektrooptischer Schalter erforderlich ist. Aufgrund seiner guten chemischen Stabilität, Langlebigkeit, UV-Beständigkeit, guten Wärmeleitfähigkeit, hohen Zerstörschwelle (> 500 MW/cm²) und einfachen Handhabung wird er die üblicherweise verwendeten LiF- und Farbstoffe im Bereich der passiven Güteschalter ersetzen und sich als hervorragende Wahl für 1 μm Nd-dotierte Laser eignen.