本发明涉及一种非线性光学材料-三硼酸锂晶体纤维及用该晶体纤维制造的非线性激光器件。 三硼酸锂单晶（LiB3O5、简称LBO）的生长和激光领域中的用途已有中国专利申请号881048380和中国专利申请公开号CN1030482A做了说明，但是关于晶体纤维状的三硼酸锂尚未见有任何报道。虽然由D.Gasson等人在J.Mater.Sci.，5（1970），P100及Stanford News，Stanford University News，May.10（1988）报道了众多的单晶纤维，却没有涉及本发明的三硼酸锂晶体纤维。当然就单晶纤维的制造技术而言、就其基本方法，上述有关资料进行了一般介绍。“激光加热基座晶体生长-提高氧化物超导体材料临界电流密度的工艺途径”（葛云龙等，物理，18卷3期P158-160，1989）对晶体纤维的生长技术及有关产品做了扼要的介绍，仍未有三硼酸锂晶体纤维的任何信息。
从已有的资料中可以看出，晶体纤维是有很大前途的材料，将能在光通信和激光领域中发挥重要作用。本发明的研究者们认识到，由于LBO单晶的优越性能，研制它的晶体纤维将更有意义。为此，本发明采用激光加热基座法生长了LBO晶体纤维，并用它来制造非线性激光器件。
本发明的LBO晶体纤维，是用激光束加热LBO原料棒，在棒的端面形成微小的熔区，用籽晶伸入熔体再缓慢提拉出来形成LBO晶体纤维。
通过调整加热用的激光功率、LBO源棒的给进速率和籽晶的提拉速度可以获得不同直径的LBO晶体纤维，籽晶采取同质地，可按几何结晶学的任何方向生长，也可按相位匹配角方向生长，LBO晶体纤维的长度可按需要控制。
本发明所制备的LBO晶体纤维、化学组成为LiB3O5，直径为0.005～0.5mm，长度一般为1～100mm。除光波导特性之外，它的物理性质和化学性质与块状LBO单晶一样。它的非线性特性，透过光的波段、光损伤阈值等也和块状LBO单晶一样。由于LBO晶体纤维具有波导的几何形状，特别适应于非线性光学效应元件和波导元件，能大大提高非线性转换效率，同时又可减少光在传输过程中的能量损耗。例如LBO晶体纤维倍频器，由于被它传输的光信号约束在晶体纤维中，沿着纤维长度方向传输多不发散，避免了泵浦光和信频光束的走离角，增加了光学非线性作用的长度，从而提高了光能的转换效率。又如，用块状LBO单晶所制做的非线性光学效应元件，当它和传光光纤配合时必须解决光耦合的问题，而采用晶体纤维的LBO来做同一器件就可提高耦合效率、减少能量损耗。特别是按照激光的相位匹配角方向拉制的LBO晶体纤维，做为非线性光学效应元件，可直接应用，不需要像块状晶体一样按匹配角方向加工。不按匹配角方向拉制的LBO晶体纤维也可控制温度实现相位匹配。在相同泵浦光功率条件下，用LBO晶体纤维可得到更高的泵浦光功率密度，从而可对光强较弱的光源（如激光二极管、小型YAG激光器等）的光实现倍频、和频、差频及光参量振荡等非线性光学过程，并具有许多块状单晶不具有的优异性能，LBO晶体纤维有光明的应用前景，它可广泛用于激光频率变换的非线性光学器件，如倍频器、差额器、和频器，还可用于光参量放大器和光参量振荡器。
所谓激光频率变换的非线性光学器件，就是指具有如下特性的激光器件，即至少一束激光辐射入射通过器件中的非线性晶体后能输出至少一束激光辐射，其频率和入射光束的频率不一样。如果只一束入射光，输出光束的频率为入射光束频率的整数倍，即ω1→nω1（称ω2）.（n＝1、2……）。如果入射光为二束，而输出光束为一束，输出光束的频率为ω3＝ω1±ω2，这就是所谓的和频和差频变换。如果入射光束ωp为泵浦频率，ωs光束为信号频率，通过非线性光学器件，由于光场的耦合、信号频率ωs可被放大并伴随产生第三种频率为Wi的光束，这种变频效果称为光参量放大。如果光参量放大作用发生在光学谐振腔内，并附加一定条件就可产生光参量振荡（简称OPO）。如果谐振腔对ωs和ωi光束都是低损耗的，泵浦光ωp达到一定强度后，变频晶体对ωs和ωi光束的增益超过损耗，就有ωs和ωi的激光输出、这种效应称双谐振荡。如果谐振腔对ωi不是低损耗的，则只产生ωs的激光输出，称单谐振荡。
用本发明的晶体纤维制做的非线性光学器件与用块状LBO晶体制做非线性光学器件相比，具有独特的优点。除前面叙述过的优点外，还有用LBO晶体纤维制作的非线性光学器件对泵浦光能量利用率高的特点，而且对泵浦光的发散角的要求低。用块状LBO晶体制成的非线性器件的相位匹配角宽度比KDP等非线性晶体大，但还需进一步增大以提高泵浦光利用率并降低对泵浦光发散角的要求。用LBO块状单晶体上形成的光波导做为非线性光学器件，由于该波导内外的介质折射率差不够大，因而波导对光束的约束能力不够大，导致泵浦光利用率不高和对泵浦光束发散角要求仍然较高，而且这种波导与泵浦光的截面形状不同导致耦合效率降低，这种耦合技术至今未得到很好的解决。同时波导作用比较弱，可能会使所产生的新频率的光从波导的侧面泄漏到波导之外，这既会降低转换效率，也会给使用造成新的困难。而LBO晶体纤维制成的非线性光学元件，由于可获波导内外介质之间很大的折射率差，因而其波导作用极强，从而大大降低了对泵浦光发散角的要求，这对于实际应用，尤其是对一些光束质量不好的泵浦光源（如半导体激光器等）的倍频器等是非常重要的。它对泵浦光的接收角达到2π球面度，即只要泵浦光照到其端面上就可进入纤维并沿纤维传播。这表明：单模LBO晶体纤维非线性光学器件对泵浦光发散角没有任何要求，而多模，LBO晶体纤维也可接收全部入射的泵浦光并且通过纤维内部传导模式之间的耦合而大大提高泵浦光的利用率。同时，所产生的新频率光全部限制在纤维内传播。这样既提高了倍频效率，也因只在端面输出光而为使用提供方便。又因其横截面可与泵浦光截面良好地匹配，提高耦合效率。通常晶体纤维的通光横截面为0.00003～0.08cm2。
图1、为LBO晶体纤维激光倍频器结构示意图
图2、为LBO晶体纤维激光和频、差频结构示意图
图3、为LBO晶体纤维激光参量振荡器示意图上述付图结合器件施例说明。
实施例一
图1是用LBO晶体纤维制做的激光倍频器示意图，（1）是泵浦光源;（2）光输入偶合系统;（3）LBO晶体纤维;（4）激光输出耦合系统;LBO晶体纤维（3）直径0.01mm，长度20mm;二个端面可以是平面，也可以是球面。两端面可以分别镀增透膜（5）和（6），也可不镀膜。其组成的顺序是（1）→（2）→（5）→（3）→（6）→（4）。增透膜（5）可改为泵浦光高透而对倍频光是高反射的反射镜，（6）膜是可改成对泵浦光高反对倍频高透的透光镜。这二个镜可以作成独立的元件，也可以粘在晶体纤维的二个端面上或镀在二端面上。光输入耦合系统（2）和输出耦合系统（4）可以用常规的聚焦透镜（单透镜或组合透镜），也可用自聚焦透镜（梯度折射率棒），或者是二者的组合。光输出耦合系统中可加入滤光片分光元件，使输出光只含有所需频率的光。光耦合系统也可不用，由泵浦光直接耦合到LBO晶体纤维中从其内部直接输出到下一个系统。泵浦光（1）可以是固体激光器输出的激光束，也可以是液体激光器或气体激光器的激光束。一定强度的激光进入此系统中的LBO晶体纤维后，在相位匹配条件下就可输出倍频光束。
实例二
图2是用LBO晶体纤维制做的非线性激光和频和差频器示意图。（1）和（2）分别是ω1和ω2泵浦激光光束，ω1≠ω2，（3）是合光系统、（4）是光输入耦合系统、（5）是LBO晶体纤维、（6）是光输出耦合系统。合光系统（3）把两束激光ω1和ω2合成一束光、然后经过光输入耦合系统将光束输入LBO晶体纤维（5）中。合光系统（3）可以用波长选择反射器或y型光纤耦合器、或光纤定向耦合器、或偏振棱镜，或上述几种的组合。甚至可省去合光系统（3），而只用光输入耦合系统（4）把ω1和ω2光输入到LBO晶体纤维中去。因为LBO晶体纤维对泵浦光的会聚角要求很宽。只要使LBO晶体纤维满足ω1和ω2和频和差频的相位匹配条件，就能输出ω1+ω2的和频光束ω3或｜ω1-ω2｜的差频光束ω4。光输出耦合系统可采用波长选择反射镜，常规聚焦透镜、自聚焦透镜（梯度折射率棒），分光棱镜、偏光棱镜中的一种或几种组合。而光输入耦合系统（4）和LBO晶体纤维（5）与实施例一中的要求相同。
实例三
图3是用LBO晶体纤维制成的光参量振荡器示意图。（1）是激光束W1、（2）光输入耦合系统、（3）光输端反射镜、（4）是LBO晶体纤维、（5）光输出端反射镜、（6）是光输出耦合系统。其中的（1）、（2）、（6）的结构和要求同实例一。而按照光参量振荡器的要求，相应的信号频率，在本系统中，则将LBO晶体纤维的自发辐射信号ω2作为信号频率，而且ω2＜ω1，输入端的反射镜（3）是对ω1高透，对ω2全反的反射镜。输出端的反射镜（5）是对ω1全反，对ω2部分反射的反射镜。反射镜（3）和（5）可以是独立的光学元件，也可以是被制做在晶体纤维端面上的膜。对于LBO晶体纤维的要求和例一相同，但匹配条件应符合光参量振荡器的要求。在本实例中，激光ω1进入光参量振荡器后，在通过LBO晶体纤维时，使晶体纤维自身的自发辐射频率ω2得到放大并产生振荡，所输出的ω2作为一个特例，频率是ω1的一半，即波波长增大一倍。
上述实例也可作为非线性波导的实例，也可做成单纯的波导器件，总之用LBO晶体纤维做波导比块状单晶LBO波导更为优越。