7章 非线性光学晶体材料1.

i(j3k)l E j (1)Ek (2)El (3)
二次项
Pi(2) (3) i(j2k) (1,2 ,3)E j (1)Ek (2 )
P(2) (2)12
j,k
(2)E10 cos(1t k1z)E20 cos(2t k2z)
KDP特点: 具有优良的压电、电光和频率转换性能, 易生长, 得到广泛应用. KTP特点: 频率转换的”全能冠军”材料 • 碘酸盐晶体: -碘酸锂; 碘酸; 碘酸钾等 • 铌酸盐晶体: 铌酸锂; 铌酸钾; 铌酸锶钡等
(3)紫外波段的频率转换晶体 偏硼酸钡(BBO)晶体: 倍频系数大, 倍频阈值功率高, 能在较宽的波段内实 现相位匹配, 激光损伤阈值高, 物理化学性能稳定. 三硼酸锂(LBO)晶体: 透光波段宽, 非线性光学系数大, 激光损伤阈值最高 的非线性光学晶体材料. LAP晶体: 非线性光学系数大, 紫外三倍频和四倍频转换效率高, 可制多频 率转换器.
2. 电光晶体 磷酸二氘钾; 铌酸锂; 钽酸锂; 氯化亚铜等 特点: 能满足综合性能要求的晶体很少, 有待于进一步探索新型晶体.
3. 光折变晶体 钛酸钡; 铌酸钾; 铌酸锂等 特点: 仍需要寻找具有光折变灵敏度高, 响应速度快, 衍射效率高等特点的新 型光折变晶体材料.
二、非线性光学晶体应具备的性能
五、晶体的光折变效应
影响光折变晶体实用化的因素: (1)光折变晶体的各项性能还不能满足制作器件的要求. 如 响应速度慢或增益低等 (2)对光折变的微观过程与形成机制还缺乏深入了解. (3)光折变晶体生长还存在薄弱环节. (4)晶体的后处理对光折变性能的影响等.
五、晶体的光折变效应
光折变晶体的重要性能参数:
nx'

no

1 2
no3 63Ez
n y'

no

1 2
no3
63 E z
ny' nx' no3 63Ez
通过长为l的晶体后的相位差


2
(ny'
nx' )l

2
no3 63Ezl

2
no3 63V
半波电压
V 2 2no3 63
线性电光效应或Pockels效应: 相位差与电压V成正比
• 不是所有的非线性光学晶体都有可能实现90o的相位匹配.
三、光混频与光参量振荡
1. 光混频
Pi(2)(1 2) Pi(2)(3) i(j2k)(3,1,2)E j (1)Ek (2)
3 1 2时,和频或频率上转换 3 1 2时,差频或频率下转换
2. 电光晶体 3. 光折变晶体
7.4 非线性光学晶体的应用
一、激光变频晶体的应用
1. 二次谐振波(倍频)发生 Nd3+: YAG, 1.064m0.532 m 2. 和频发生 3. 差频发生 4. 光参量振荡 5. 光参量放大
二、电光晶体的应用
1. 电光调制器 2. 电光开关 3. 电光偏转
c
1

n(2 )
c
2
二次谐波
3 1 2
k3

n(3 )
c
3

n(3 )
c
(1
2 )
利用相位匹配技术, 可使
k3

(k1

k2 )

n(3 )
c
3


n(1 )
c
1

n(2 )
c
2


0
对倍频, 上式变为
n(2) n()
2. 实现相位匹配的途径
目的: 使信号光波的功率得到放大
四、晶体的电光效应
• 概念: 在外加电场的作用下引起晶体折射率发生变化的效应. • 某些晶体上加电场后, 将改变光在晶体中传播时所表现的各向异性特性. • 感应双折射:由外加电场引起的双折射现象. • 原因: 外加低频电场作用时改变了介质内电子极化引起的.
加电场后的折射率
二次电光效应或Kerr效应: 一些具有对称中心的晶体和 液体在外电场作用下的感应折射率差与电场强度的平方 成正比
n kE2
五、晶体的光折变效应
光折变效应的基本过程： ①光频电场作用于光折变晶体时，光激发电荷并使之转 移和分离； ②电荷在晶体内转移和分离，引起电荷分布改变，建立 起空间电场； ③空间电荷场通过晶体的线性电光效应，致使晶体的折 射率发生变化。

1 2

(2)
(E120

E120 )

1 2

(2) E120
cos[2(1t

k1z)]

1 2

(2) E220
cos[2(2t

k2
z)]
(2)1020 cos[(1 2 )t (k1 k2 )z] (2)1020 cos[(1 2 )t (k1 k2 )z]
2. 参量振荡：利用差频
当一束频率为的强激光p(称为泵浦光)射入非线性光学晶体时, 若再 在晶体中加入频率远低于p的弱信号光(频率为s), 由于差频效应, 晶体中将产生频率为p-s=i(称为空载频率)的极化波, 从而辐射出 频率为i的光波, 当此光波在晶体中传播时, 又与泵浦光混频, 便产 生频率为p-i= s的极化波, 进而辐射出频率为s的光波.
三、光折变晶体的应用
自泵浦相位共轭效应的应用
(1)角度相位匹配: 负单轴晶 n2 (2) n1()
球面: o光折射率面 实线: 基频光 虚线: 倍频光
椭球面: e光折射率面 实线: 基频光 虚线: 倍频光
M点: o光基频光与e光倍频光折射率交点 PM方向: 相位匹配方向 M: 相位匹配角
n2e (M ) n1o
两种匹配类型: o+o=e(ooe型)------Ⅰ类相位匹配或平行式匹配 o+e=e(oee型)------Ⅱ类相位匹配或正交式匹配
源自文库
五、晶体的光折变效应
光折变效应的特点:
(1)在一定意义上说, 光折变效应与光强无关. 入射光的强 度只影响光折变过程进行的速度.
(2)非局域响应, 通过光折变效应建立折射率相位光栅需要 时间,它的建立不仅在时间响应上显示出惯性, 而且在空间 分布上也是非局域响应的, 即折射率改变最大的地方并不 对应于光辐射最强处.
其中, 和频 差频 倍频 光整流
3=1+2 3=1-2 1=2=时,3=1+2=2 3=1-2=0
二、非线性光学过程的相位匹配 基频光、二次极化波、二次谐波的频率与速度 1. 相位匹配条件
例: 和频
二次极化波
频率 传输常数
3 1 2
k1

k2

n(1)
第七章 非线性光学晶体材料
7.2 晶体的非线性光学基础
一、非线性光学现象 线性光学 光与介质相互作用，入射光的电场强度不太大
Pi ij E j
i, j 1,2,3
j
非线性光学 强光入射介质时
Pi
i(j1)E j (1) i(j2k)E j (1)Ek (2)
(一)大的非线性光学系数
(二)适当的双折射率, 能够在应用的波段区域内实现相位匹配, 而且相位匹 配的角度宽容度和温度宽容度要大, 如果能够实现非临界相位匹配或通过 温度调谐等方法实现非临界相位匹配则更好.
(三)足够高的抗光损伤阈值.
(四)良好的化学稳定性, 不易风化, 不易潮解, 在较宽的温度范围内无相变, 不分解, 以保证能在没有特殊保护的条件下长期使用. 良好的力学性能使 晶体易于切割抛磨, 镀覆各种光学膜层,制作各种实用器件, 也是十分重要 的.
(1)光折变灵敏度
两种标定方法: Ⅰ.晶体的一定折射率改变所需要的入射光的 能量.Ⅱ.在光存储中厚度为1mm的晶体达到1%的衍射效率时 所吸收的能量.
(2)光折变动态范围
指光场可导致的折射率变化的最大范围, 它决定着一定厚 度的晶体中可实现的最大衍射效率, 及在一定体积内所能记 录的不同全息光栅的数目.
1. 激光频率转换晶体的性能要求
①晶体的非线性光学系数要大; ②晶体能够实现相联系位匹配, 最好能实现90最佳相位匹配; ③透光波段要宽,透明度要高; ④晶体的激光损伤阈值要高; ⑤晶体的激光转换效率要高;; ⑥物理化学性能稳定,硬度大,不潮解, 温度变化带来的影响要小; ⑦可获得光学均匀的大尺寸晶体; ⑧晶体易于加工, 价格低廉等.
(3)光折变效应的响应时间
(4)光折变效应的分辨率
7.3 非线性光学晶体材料
一、概述
1. 激光频率转换(变频晶体) (1)红外波段频率转换晶体 黄铜矿结构型晶体: AgGaS2; AgGaSe2; CdGeAs2 等 特点: 非线性光学系数很大, 但能量转换效率不高, 受晶体光学质量和尺寸大
小的限制, 得不到广泛应用. (2)从可见光到红外波段的频率转换晶体 • 磷酸盐: 磷酸二氢钾(KDP)结构型晶体和磷酸钛氧钾(KTP)型晶体
(2)温度相位匹配
• 对于某些非线性光学晶体, 如铌酸锂、磷酸二氢钾等, 它们 的e光折射率随温度的变化比o光的折射率快得多, 利用这一 特性, 在M=90o条件下, 就有可能通过适当地调节温度来实 现相位匹配.
• 角度相位匹配存在的问题:
• 分类: M=90o------非临界相位匹配; M=90o------临界相位 匹配