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非线性光学晶体 2006-12-06 17:26:10大中小一、 非线性光学晶体的基本概念光通过晶体进行传播时，会引起晶体的电极化。当光强不太大时，晶体的电极化 强度与光频电场之间呈线性关系，其非线性关系可以被忽略；但是，当光强很大时， 如激光通过晶体进行传播时，电极化强度与光频电场之间的非线性关系变得十分显著 而不能忽略，这种与光强有关的光学效应称为非线性光学效应，具有这种效应的晶体 就称为非线性光学晶体。 非线性光学晶体与激光紧密相连，是实现激光的频率转换、调制、偏转和Q开关 等技术的关键材料。当前，直接利用激光晶体获得的激光波段有限，从紫外到红外谱 区，尚有激光空白波段。而利用非线性光学晶体，可将激光晶体直接输出的激光转换 成新波段的激光，从而开辟新的激光光源，拓展激光晶体的应用范围。 1961年，科学家做了这样一个实验：将红宝石激光器输出来的激光，经透镜聚焦后， 进入一块透明的石英晶体片。按照通常的情况，这束红色光通过石英片后，我们见到 的只能是红色光。可是，科学家在红斑的外围，意外地看到蓝色光。把光束送入棱镜 光谱仪进行光波波长标定，测量的结果是，从这石英片出来的光束中含有两个波长： 69.43×10-8米和34.77×10-8米，后者的波长刚好等于红宝石激光波长--69.43×10 -8米的一半。这部分频率加倍的蓝色光又是从何而来的？科学家把石英晶体片换下来 ，放上去一片普通的玻璃片，刚才见到的那部分蓝色光便消失掉，当再换上那块石英 晶体片时，蓝色光又重新出现。显然，频率加倍的那部分色光是靠着石英晶体片而产 生出来的。这种石英晶体对色散是否有特殊的作用呢？科学家改用其它一些晶体材料 来做实验，结果又发现不少晶体材料，如磷酸二氢氨（APP）、磷酸二氢钾（KDP）、 砷酸二氢铷（RDA）、铌酸锂（LiNbO3）、碘酸锂（LiIO3）、铌酸钡钠（BNN）等等 ，它们也都出现了用石英晶体做实验时相同的现象。无疑，这是一种新的光学现象。 科学家采用分辨本领很高的光栅光谱仪，对基波的波长和新出现的光波波长做了精确 测量，对不同的晶体材料，不同的入射光功率进行了实验，结果都表明：基波的波长 和新出现的这束光波波长之比都是2。所以，科学家把这种光学现象叫做光波倍频现 象。现在，人们不仅发现有频率加倍的光波，而且还发现，在高强度的光波作用下， 物质产生出为原入射光波频率3倍、4倍、5倍甚至高达25倍的光波。 光倍频现象是非线性光学中的一个典型现象。除了出现由每束光波各自产生的倍频光 波之外，由两束光波或者几束光波\"合作\"也将产生另外一些颜色的光束来，这就是光 的混频。 二.主要非线性光学晶体和它们的特性 1.激光频率转换晶体 (1)黄铜矿结构型的晶体 优点:非线性光学系数很大 缺点:能量转换效应大多受到晶体光学质量和晶体尺寸大小的限制 用途:参量振荡器件,得到宽红外波段可调的激光,CO激光的倍频器 (2) 磷酸钛氧钾晶体(KTiOPO4) 优点: 大的非线性光学系数,倍频系数大,透光波段宽,激光损伤阈值较高,转换效率高 ,化学稳定性好,不溶于水,抗热冲击性能好,易于进行光学加工 缺点: 1.μm以下波段不能实现二次阶波产生的相位匹配 用途: 磷酸钛氧钾晶体(KTiOPO4)是迄今为止综合性能最优异的非线性光学晶体， 被公认为1．064μm和1．32μm激光倍频的首选材料，它可以把1．064μm的红外激光 转换成 0．53μm的绿色激光。由于绿光不仅能够用于医疗、激光测距，还能够进行 水下摄影和水中通信等，因此，磷酸钛氧钾晶体得到了广泛的应用。 （3）磷酸二氢钾 (KH2PO4) 优点：优良的压电、电光和倍频转换功能，激光损伤阈值中等，易于实现相位匹配 缺点：不能产生低于2000A°的紫外光输出，角度调谐半宽度较小，化学稳定性不好 ，在空气中会潮解 用途：KDP（磷酸二氢钾）晶体材料长期以来在非线性光学方面一直广泛用于光的 倍频、和频、差频和混频等，而大尺寸、高质量KDP晶体材料则是核能发电中核聚变 反应器的关键材料之一。已生长出60 000毫米尺寸的高质量KDP晶体，技术指标：① 晶体的透过波段为1800～190nm、②晶体生长速度2～3nm/d、③光学技术参数符合当 前我国核发电机组所需KDP材料的技术指标。 （4）碘酸锂(α-LiIO3) 优点：α-碘酸锂单晶体是一种非铁电型电极性晶体，具有非线性系数大、抗辐射损 伤等特点。 用途：可在激光技术中用作产生二次谐波和参量振荡的介质，也可用来制造在航 空、化工、冶金和石油工业中有广阔使用前景的窄脉冲、宽频带超声换能器。 晶体主要性能如下：透光的波长范围：0.5μm-5.0μm(透过率86%)；光学均匀性：折 射率变化10-5－10-6/cm；钕激光的倍频转换效率：34%；1.06微米激光破坏阈值：～ 5MW/cm2；应用地参量振荡，可获得0.9μm-1.2μm连续可调谐激光；介电常数：ε＝ ６；厚度模机电偶合系数Ｋt=0.51；高频探头的灵敏度20倍于PZT陶瓷换能器；声阻 抗Z=18.5×106公斤／米·秒；压电应力常数：933＝320×10-3V/米·N；密度：D=4 .502 g/cm3。 （5）钛酸钡（BaTiO3 ）单晶具有优异的光折变性能，具有高的自泵浦相位共轭反射 率和二波混频（光放大）效率，在光信息存储方面有巨大的潜在应用前景；同时它也 是重要的衬底基片材料。 晶体参数： 晶体结构 四方Tetragona(4m):13oC<T<132oC a=3.99?,c=4.04,(at26oC) 生长方法 TSSG (Top Seeded Solution Growth) 顶部籽晶法 熔点 1612 oC 折射率 515 nm 633 nm 800 nm no 2.4912 2.4160 2.3681 ne 2.4247 2.3630 2.3235 透过波长范围 0.43 - 6.30 m 电光系数 rT13=8 2pm/V rT33=105 10pm/V rT42=1300 100pm/V 自泵浦相位共轭反射率 （0度切） 50 - 70 % for = 515 nm(Ce: BaTiO3) 40-60% (PureBaTiO3) for = 515 nm 50 - 80 % for = 633 nm(Ce: BaTiO3) 40-60% for = 633 nm (PureBaTiO3) 二波混频耦合系数 10 -40 cm-1 吸收损失 : 515 nm 633 nm 800 nm : 0.285cm-1 0.108cm-1 0.033cm-1 光折变效应的工作波长 Undoped BTO: for visible Ce:BTO :480-780nm Rh:BTO :for 720-1060nm （6）铌酸钡钠晶体(Ba2NaNb5O15) 硝酸钡晶体是无源光学限制器优选材料之一,在医疗保健方面有重要用途；同时又是 一种优秀的喇曼转换材料，以Ba(NO3)2单晶作为Raman频移部件，可以高效率地将Nd :YAG激光器1.318-1.338μm的输出转化为1.535-1.556μm的光束，输出光光场均匀性 优于泵浦光，峰宽变窄。1.535-1.556μm波长是空气窗口，且对人眼安全，非常适合 测距仪等Lidar的要求，同时也是光纤光学通信以及空间自由通信的优良功能材料。 （7）偏硼酸钡(β-BaB2O4) 和三硼酸锂(LiB3O5) 高温相偏硼酸钡晶体为目前国际上唯一的一种紫外双折射材料，在光通讯、集成电路 制造等领域具有广泛应用价值。三硼酸锂(LiB3O5) ，激光通过这种晶体，波长从1. 064微米自动变成0.532微米，有广阔应用范围。偏硼酸钡和三硼酸锂晶体是我国于20 世纪80年代首先研制成功的，具有非线性光学系数大、激光损伤阈值高的突出优点， 是优秀的激光频率转换晶体材料，在国际上引起了很大的反响。 此外，非线性光学晶体还有磷酸二氢铵、砷酸二氘铯、磷酸钛氧钾、掺镁铌酸理 、铌酸钾等 2．光折变晶体 光折变晶体是众多晶体中最奇妙的一种晶体。当外界微弱的激光照到这种晶体上 时，晶体中的载流子被激发，在晶体中迁移并重新被捕获，使得晶体内部产生空间电 荷场，然后，通过电光效应，空间电荷场改变晶体中折射率的空间分布，形成折射率 光栅，从而产生光折变效应。 光折变效应的特点是，在弱光作用下就可表现出明显的效应。例如，在自泵浦相 位共轭实验中，一束毫瓦级的激光与光折变晶体作用就可以产生相位共轭波，使畸变 得无法辨认的图像清晰如初。由于折射率光栅在空间上是非局域的，它在波矢方向相 对于干涉条纹有一定的空间相移，因而能使光束之间实现能量转换。如两波耦合实验 中，当一束弱信号光和一束强光在光折变晶体中相互作用时，弱信号光可以增强1 000 倍。 此外，凭借着光折变效应，光折变晶体还具有以下特殊的性能：可以在3cm3的体 积中存储5000幅不同的图像，并可以迅速显示其中任意一幅；可以精密地探测出小得 只有10-7米的距离改变；可以滤去静止不变的图像，专门跟踪刚发生的图像改变；甚 至还可以模拟人脑的联想思维能力。因此，这种晶体一经发现，便引起了人们的极大 兴趣。 目前，有应用价值的光折变晶体有钛酸钡(BaTiO3)、铌酸钾(KNbO3)、铌酸锂(LiNbO 3 )、铌酸锶钡(Sr1-xBaxNb2O6)系列、硅酸铋(Bi12SiO20)等晶体。其中，掺铈钛酸钡 (Ce：BaTiO3)是由中国科学院物理研究所于90年代在国际上首次研制成功的。它的优 异性能，使光折变晶体在理论研究和实用化方面取得突破性进展。当前，光折变晶体 已发展成一种新颖的功能晶体，在光的图像和信息处理、相位共轭、全息存储、光通 讯和光计算机神经网络等方面展示着良好的应用前景。 三.非线性光学晶体的研究发展趋势 利用光波倍频和混频现象，我们就可以用现在技术上已经比较成熟、输出功率又很高 的一些激光器，创造出我们所需要的各种波长的相干光。例如，利用倍频晶体将YAG 激光器输出的激光做二次倍频，获得高功率的绿色光；作三次倍频，获得波长为35× 10-8米左右的紫色光；作四次倍频，获得波长为26.5×10-8米的紫外光。同样，光波 混频现象也是我们获得远红外波段相干辐射的好方法。将二氧化碳分子激光器输出束 波长为9.6微米和10.6微米的激光，在n型锑化铟晶体中进行光混频，便可以得到波长 在100微米左右的远红外相干光波，而由二氧化碳分子激光器在10.6微米附近的几个 激光波长的基波在砷化镓半导体材料中进行光波混频，便可以得到波长与微波波段相 接的光波了。当用波长可调谐的染料激光器来作倍频和混频的光源时，还有可能让我 们获得波长从真空紫外一直到远红外，甚至功率很高的相干光束。 非线性光学材料应用的主要领域除了上述用倍频、混频技术进行频率转换外，还有光 荣转向、光束畸变消除、图像放大与变换、光信息处理与光信号控制、光受限与阀值 检测，全光学连接、光计算机、光贮存以及光纤通迅与器件等。再举一个简单例子来 说，非线性光学晶体材料应用于蓝绿光激光器中，可被用来进行铀同位素（238U和235U ）的分离（铀同位素是制造原子弹的主要原料），可以用以引发核聚变。在美国的\" 星球大战\"计划中，蓝绿激光器是基本武器之一。正由于其具有如此重要的战略意义 ，某些高敏非线性光学材料如KTP（磷酸氧钛钾）等已被列为美国国务院控制下的军 事物资，它的出口或转出口都必须经过美国政府的批准。目前世界各国纷纷把非线性 光学材料的研究列为高科技和优先发展项目，给予高度重视。 评论(0)┆引用┆阅读(54)┆圈子┆打印┆有奖举报文章评论以下网友留言只代表其个人观点，不代表新浪网的观点或立场 发表评论称 呼：主 页：验证码： 图案： 内 容： 发表评论新浪BLOG意见反馈留言板 不良信息反馈 电话：95105670 提示音后按2键（按当地市话标准计费） 欢迎批评指正新浪简介 | About Sina | 广告服务 | 联系我们 | 招聘信息 | 网站律师 | SINA English | 会员注册 | 产品答疑 Copyright � 1996 - 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