7章 非线性光学晶体材料1.
非线性光学材料
非线性光学材料摘要：非线性光学材料是一类在光电转换、光开关、光信息处理等领域具有广泛应用前景的光电功能材料。
在目前信息技术高速发展的时代，光电子工业发展迅猛，对光电功能材料的需求也日趋增长。
在光电子工业中如光开关、光通讯、光信息处理、光计算机、激光技术等都需要以非线性光学材料为基础材料，因此，近几十年来非线性光学材料引起了人们的广泛关注，对它的研究也以日新月异的速度发展着。
关键词：非线性光学材料；光电功能材料1.简介在目前信息技术高速发展的时代，光电子工业发展迅猛，对光电功能材料的需求也日趋增长。
在光电子工业中如光开关、光通讯、光信息处理、光计算机、激光技术等都需要以非线性光学材料为基础材料，因此，近几十年来非线性光学材料引起了人们的广泛关注，对它的研究也以日新月异的速度发展着。
非线性光学材料是指一类受外部光场、电场和应变场的作用，频率、相位、振幅等发生变化，从而引起折射率、光吸收、光散射等变化的材料。
在用激光做光源时，激光与介质间相互作用产生的这种非线性光学现象，会导致光的倍频、合频、差频、参量振荡、参量放大，引起谐波。
利用非线性光学材料的变频和光折变功能，尤其是倍频和三倍频能力，可将其广泛应用于有线电视和光纤通信用的信号转换器和光学开关、光调制器、倍频器、限幅器、放大器、整流透镜和换能器等领域。
物质在电磁场的作用下，原子的正、负电荷中心会发生迁移，即发生极化，产生一诱导偶极矩p。
在光强度不是很高时，分子的诱导偶极矩p线性正比于光的电场强度E。
然而，当光强足够大如激光时，会产生非经典光学的频率、相位、偏振和其它传输性质变化的新电磁场。
分子诱导偶极矩p就变成电场强度E的非线性函数，如下表示:p=αE+βE2+γE3+……式中α为分子的微观线性极化率;β为一阶分子超极化率(二阶效应)，γ为二阶分子超极化率(三阶效应)。
即基于电场强度E 的n次幂所诱导的电极化效应就称之为n阶非线性光学效应。
一种好的非线性光学材料应是易极化的、具有非对称的电荷分布的、具有大的π电子共轭体系的、非中心对称的分子构成的材料。
非线性光学晶体材料的选材与设计研究
非线性光学晶体材料的选材与设计研究随着科技的不断发展，非线性光学晶体材料的应用也越来越广泛。
非线性光学晶体材料能够产生比线性光学材料更强大、更复杂的光学效应。
在激光技术、通信技术、光电子学、医学、生物学等领域都有着广泛的应用。
选材和设计是非线性光学晶体材料制备的重要环节，本文将对非线性光学晶体材料的选材和设计进行详细探讨。
一、非线性光学晶体材料的基本概念选材和设计之前需要先了解非线性光学晶体材料的基本概念。
非线性光学晶体是指在高强光作用下，产生非线性光学效应的晶体。
这种晶体材料有着类似于线性光学晶体的结构和非线性介电性质。
在高强光作用下，非线性光学晶体材料中的电子吸收和产生非线性的光学响应。
在实际应用中，非线性光学晶体材料分为三类：非线性光学晶体、非线性光学液晶和非线性光学有机材料。
非线性光学晶体具有峰值功率、时间延迟和非均匀性等性质。
非线性光学液晶具有快速响应、可控性、低电压驱动等性质。
非线性光学有机材料则具有低成本、透明度等性质。
二、非线性光学晶体材料的选材在选材时需要考虑的因素有很多，包括非线性系数、二阶非线性系数、三阶非线性系数、透明度、光强损失、光学吸收、激光损伤阈值、生长方法、晶体结构和热学稳定性等。
良好的非线性光学晶体材料需要满足这些要求。
1. 非线性系数非线性系数是材料优劣的关键指标之一。
非线性光学晶体材料的非线性系数越大，非线性光学效应就越显著。
因此，选材时需要优先考虑非线性系数。
BaB2O4、LiNbO3、KTA、LBO、BBO 等晶体都具有很高的非线性系数。
2. 二阶非线性系数二阶非线性系数是材料进行二次谐波发生的指标。
二阶非线性系数越大，二次谐波转化效率越高。
在实际应用中，二阶非线性系数的大小非常重要。
ZnGeP2、LBO、KTiOPO4、BBO等晶体的二阶非线性系数比较高。
3. 三阶非线性系数三阶非线性系数是材料进行三次谐波发生的指标。
在实际应用中，三阶非线性效应在超短光脉冲或者脉冲幅度调制中具有很大作用。
非线性光学晶体
非线性光学材料
郭泓良 柴胤光 李源
非线性光学晶体是重要的光电信息功能材料之 一，是光电子技术特别是激光技术的重要物质 基础，其发展程度与激光技术的发展密切相关。
非线性光学晶体材料可以用来进行激光频率转换，扩 展激光的波长；用来调制激光的强度、相位；实现激 光信号的全息存储、消除波前畴变的自泵浦相位共轭 等等。所以，非线性光学晶体是高新技术和现代军事 技术中不可缺少的关键材料，各发达国家都将其放在 优先发展的位置，并作为一项重要战略措施列入各自 的高技术发展计划中，给予高度重视和支持。
非线性光学元件在调制开关与远程通讯、信息处理和 娱乐等三个领域表现出了加速发展的趋势。
主要的商业化非线性光学晶体有铌酸锂（LiNbO3）、 磷酸钛氧钾（KTP）、-偏硼酸钡(BBO)、三硼酸锂 （LBO）、磷酸二氢钾（KDP）、磷酸二氘钾（DKDP） 等，其中LiNbO3是市场最大的非线性光学晶体，光通
从最初的石英倍频晶体开始，不断涌现出铌酸锂
（LiNbO3—LN）、磷酸二氢钾(KH2PO4—KDP)、磷酸 二氘钾(KD2PO4—DKDP)、碘酸锂(LiIO3—LI)、磷酸氧 钛钾(KTiOPO4—KTP)、偏硼酸钡(-BaB2O4—BBO)、三 硼酸锂(LiB3O5—LBO)、铌酸钾（KNbO3—KN）、硼酸 铯(CSB3O5—CBO)、硼酸铯锂(LiCSB6O10—CLBO)、氟 硼酸钾铍（KBe2BO3F2—KBBF）以及硫银镓 （AgGaS2—AGS）、砷镉锗（CdGeAs—CGA）、磷锗 锌（ZnGeP2—ZGP）等非线性光学晶体，
首次体在全世界得到普遍的 应用，促进了激光技术的发展。
主导了周期、准周期极化人工微结构非线性光学晶体 材料的研究和实验验证，开拓了非线性光学晶体的新 领域。
非线性光学晶体
• (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.
我国先进技术
• 2016年，有这样一篇文章： • “十七年了！美骄傲公布：这一领域终于打破中国的技术
• KBBF是一种非线性光学晶体，可以将激光的波长转换为 176纳米，应用到国防军工领域，将大大提升激光反导弹 系统、激光国土探测等各种技术水平。甚至世界各国的下 一代战略武器发展计划，都绕不开KBBF技术的支持。
• 而这项技术，是由中科院的陈创天院士研发出来的，从 1980年代就开始积累相关技术，独步全球。
目录
01
非物线联网性基光本学概念
02
相位匹配
03 非线性光学现象
04 非线性光学晶体材料
05
我国先进技术
非线性光学 • 所谓线性光学，其最大的特点就是不改变光的频率、不与
介质发生能量交换。那根据此就可以推断出，会发生能量 交换、会改变频率的就是非线性光学。
相位匹配
• 相位匹配的物理本质（以倍频为例，就是光的频率翻倍）是 让基频光在晶体中传播，然后沿途激发出倍频光，由于相速 度相同，所以相位是一致的，这样沿途激发的倍频光可满足 干涉条件，从而极大地增强倍频光的光强。
• 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
• (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.
非线性光学晶体
非线性光学晶体非线性光学晶体对于激光强电场显示二次以上非线性光学效应的晶体非线性光学晶体是对于激光强电场显示二次以上非线性光学效应的晶体。
非线性光学晶体是一种功能材料，其中的倍频（或称“变频”）晶体可用来对激光波长进行变频，从而扩展激光器的可调谐范围，在激光技术领域具有重要应用价值。
1 介绍具有非线性光学效应的晶体。
广义指在强光或外场作用下能产生非线性光学效应的晶体。
通常将强光作用下产生的称为非线性光学晶体; 外场作用下产生的称电光、磁光、声光晶体。
此外，还有含共轭体系的有机分子组成的晶体或聚合物。
广泛应用的有KH2PO4(KDP)、NH4H2PO4(ADP)、CsH2A5O4(CDA)；KTiOPO4、KNbO3、NiNbO3、 Ba2NaNb5O15；BaB2O4(BBO)、LiB3O5(LBO)、NaNO2；GaAs、InSb、InAs、 ZnS等。
按状态分为块状、薄膜、纤维、液晶。
利用二阶非线性效应产生的倍频、混频、参量振荡及光参量放大等变频技术，可拓宽激光的波长范围，已应用于核聚变、医疗、水下摄影、光通信、光测距等方面。
2 三硼酸锂晶体简称LBO晶体。
分子式为 LiB3O5，属正交晶系，空间群为Pna2 的一种非线性光学材料。
福建物质结构研究所首次发现。
密度2.48g/cm，莫氏硬度6，具有较宽的透光范围（0.16～2.6μm），较大的非线性光学系数，高的光损伤阈值（约为KTP的 4.1倍，KDP 的1.83倍，BBO的2.15 倍）及良好的化学稳定性及抗潮解性。
可用于1.06μm激光的二倍频和三倍频，并可实现Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配。
用功率密度为350MW/cm的锁模Nd ：YAG激光，样品通光长度为11mm （表面未镀膜），可获得倍频转换效率高达60%。
LBO晶体可制作激光倍频器和光参量振荡器。
用高温溶液法可生长出光学质量的单晶。
3 三硼酸锂铯晶体CLBO晶体的基本结构与三硼酸铮和三硼酸铯相同，其阴离子基因中平面基团和四面体基团的结合是其大的非线性效应来源。
非线性晶体
一水甲酸锂晶体, 苹果酸钾晶体,磺酸水杨酸二钠晶体 L精氨酸磷酸盐晶体, 氘化LAP晶体； (2) 酰胺类晶体—尿素晶体； (3) 苯基衍生物晶体； (4) 吡啶衍生物晶体； (5) 酮衍生物晶体； (6) 有机金属络(配)合物晶体； (7) 聚合物晶体。
1、 激光频率转换(变频)晶体 非线性光学频率转换晶咋主要用于激光倍频、和频、差
频、多次倍频、参量振荡和放大等方面，以拓宽激光辐射 波长的范围，开辟新的激光光源等。
(1)红外波段的频率转换晶体 现有的性能优良的频率转换晶体，大多适用于可见光、 近红外和紫外波段的范围．红外波段，尤其是波段在5μm 以上的频率转换晶体，至今能得到实际应用的较少。
下能实现相位匹配，化学稳定性好，它是迄今为止的激光损
伤阂值最高的非线性光学晶体材料，已实现了光参量振荡输 出，对1. 06μm的Nd：YAG激光的倍频转换效率高达60%。
2、 电光晶体 电光晶体主要用于激光的调制、偏转和Q开关等技术
应用方面。主要的有：磷酸二氘钾[K(DxH1-x)2PO4]、铌酸 锂(LiNbO3)，钽酸锂(LiTaO3)，氯化亚铜(CuCl)和钽铌酸 钾(KtaxNb1-xO3)等晶体。
光折变晶体的非线性光学系数非常高，已做成增益因子 高达4000的光学放大器。
有应用价值的光折变晶体主要有：钛酸钡(BaTiO3)、铌 酸钾(KNbO3)、铌酸锂(LiNbO3)、以及上述掺Fe离子的三种
(晶B体SO、)晶铌体酸、锶铌钡酸(S锶r1-钡xB钾axN钠b[2KON6)a系(S列r1-、xB硅ax)酸0.9铋Nb(2BOi162，SiKON20S)BN]
三元化合物晶体 AgGaS2 晶体， AgGaSe2晶体, Ag2AsS3 晶体, CdGeAs2 晶体, TlAsSe2晶体， HgCdTe2晶体
非线性光学材料的制备及其光学性质研究
非线性光学材料的制备及其光学性质研究在当代科学技术中，光学材料一直是研究热点之一。
尤其是非线性光学材料的出现，为光学器件的实际应用提供了更加广阔的空间。
本文将介绍非线性光学材料的制备及其光学性质研究。
一、非线性光学材料的制备方法非线性光学材料一般指的是具有强非线性光学效应的材料。
它们在强光的作用下，非常容易发生二次调制、倍频、混频、差频等非线性效应。
因此，在光学通信、光学传感、光子计算等领域都有着广泛的应用。
制备非线性光学材料有多种方法，以下是其中常见的三种：1. 原位生长法：原位生长法又称为单晶法，是利用化学气相沉积、物理气相沉积、溶液法等方法，让非线性光学晶体在有机物的催化下，自主地沉积到基板上，形成单晶。
这种方法制备出的晶体质量较高，晶体结构稳定，具有较强的光学非线性效应。
2. 溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法是利用溶胶和凝胶的转化过程制备非线性光学材料。
该方法的主要过程包括溶胶的凝胶化、热降解、热处理等环节。
其中，凝胶化的过程中可以引入所需的活性组分，通过后续的热降解和热处理，使得材料具有较高的光学非线性效应。
3. 聚合物法：聚合物法主要是通过单体的化学反应，将具有活性基团的单体链式聚合，制备出具有高度有序的自组装结构的高分子链。
其中，引入活性基团的单体和偶极子基团的单体可以构成高度自组装的结构，使聚合物具有较高的光学非线性效应。
二、非线性光学材料的光学性质研究方法非线性光学材料的光学性质与普通光学材料的性质有很大的不同。
在实验过程中，需要采用不同的研究方法来进行观测。
以下是几种常用的方法：1. 偏振态光谱：偏振态光谱方法适用于对非线性吸收系数的研究。
该方法利用线偏振光照射样品，观察透过样品的光强随偏振角度的变化，根据非线性吸收的理论，可以求出非线性吸收系数。
2. 倍频光谱：倍频光谱方法适用于对非线性折射率的研究。
该方法利用基波频率的点光源照射样品，观察样品产生的倍频光强度随着基波光强度的变化，根据倍频光学理论，可以求出非线性折射率。
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红外非线性光学晶体 分类：
➢ 由四面体基团构成的二元或三元化 合物
➢ 由MX3三角锥形基团构成的化合物 ➢ 单质
深紫外非线性光学晶体
➢ KBBF晶体 ➢ SBBO族晶体
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非线性光学晶体的应用
扩展激光的波长覆盖范围 为了提高谐波转换效率经常采用的三种方法：
➢ 外共振腔技术 ➢ 内共振腔技术 ➢ 准相位匹配技术
非线性光学 晶体材料分 子设计方法
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几种重要的非线性光学晶体
LBO族晶体
➢ LBO晶体 ➢ CBO晶体 ➢ CLBO晶体
KTP晶体 BBO晶体 KDP族晶体
➢ KDP晶体 ➢ DKDP晶体
铌酸盐晶体
➢ KNbO3晶体 ➢ LiNbO3晶体 ➢ MgO：LiNbO3晶体
频系数的几何叠加。对于每种化学键，他们共引入两个微观倍 频系数参量，即β //和β ⊥，分别代表平行于每个键的微观倍频系 数参量和垂直于每个键的微观倍频系数参量。 键电荷模型
晶体的线性和非线性极化率主要是由于A-B两个原子中键 电荷g在外光频电场作用下，作非中心对称运动的结果。 分子轨道法
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引言
晶体非线性光学技术是一项很广泛的应用技术。它包 括激光的变频技术 、调制技术、记忆、存储技术、光 折变技术 等
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非线性光学谐波器件的设计原理
晶体的倍频效应
按相位匹配模式可分为： ➢ 共线相位匹配
① 倍频转换 ② 和频转换
➢ 非共线相位匹配
有效倍频系数: 只能进行数值计算 通光方向的长度 其他特征量：相位匹配参量Δk，允许角宽度ΔθPM
准相位匹配谐波器件
非线性光学晶体材料研究及应用
非线性光学晶体材料研究及应用光学是研究光的物理性质和现象的学科。
通俗来讲，光学顾名思义，就是研究光的学问。
随着时代的进步，光学领域愈发广泛化和深入化，非线性光学晶体材料也跻身其中。
非线性光学晶体材料是近年来光学研究的热门材料之一。
相比于线性光学，非线性光学作为一种新型光学现象，对于信息传输、能量转换、光子学技术等方面有着更为广泛的应用。
那么，什么是非线性光学晶体材料呢？简单来说，非线性光学晶体材料就是一种当外界光场通过材料时，在不破坏介质结构的前提下，可引发材料内部非线性响应产生其他频率的光场的材料。
这种材料在光学、电子学和信息技术等领域都有着广泛的应用。
目前，非线性光学晶体材料主要分为有机非线性光学晶体材料、半导体非线性光学晶体材料和无机非线性光学晶体材料等。
其中有机非线性光学晶体材料应用最为广泛。
这种材料具有优异的光学和电学性能，可广泛应用于变频、全息记录、多光子显微镜、高效光学限幅等诸多领域。
那么非线性光学晶体材料的应用领域具体有哪些呢？下面列举部分应用领域。
1.检测技术非线性光学晶体材料在检测技术中有着广泛的应用。
这种材料表现出的非线性效应可以用作探测光与物质相互作用过程的灵敏探针。
此外，非线性光学晶体材料还可以用作谐振腔中的调制器和调谐器。
2.生物医学非线性光学显微镜是非线性光学基础研究和应用研究的一个热点领域。
它是一种通过用近红外激光束向生物样本中发出强光信号的显微镜，从而实现像素尺寸远小于现有技术限制的分辨率。
这种分辨率对于生物医学的研究有着重要的意义。
而非线性光学晶体材料在非线性光学显微术中被广泛应用。
3.光子学技术光子学技术是非线性光学晶体材料的另一个热门应用领域。
由于非线性光学晶体材料的高分子链条比较松散，易于吸收和释放辐射，因此可作为光子学技术中的光源、探测器、调制器等。
此外，非线性光学晶体材料还可以应用于非线性光纤通信的增益介质和光谱过滤器等。
总之，在当前的大环境下，非线性光学晶体材料是科技领域中一个十分特别的材料。
光学中的非线性光学材料及其应用
光学中的非线性光学材料及其应用光学在现代社会中有着广泛的应用，如光通信、光存储、光计算等。
而非线性光学材料作为光学器件中不可或缺的一部分，正逐渐成为光学领域中研究的热点。
一、非线性光学材料的基础概念及分类非线性光学的研究始于上世纪50年代，随着技术的不断发展，人们对非线性光学的研究越来越深入。
非线性光学材料简单来说是指光在这些材料中传播时，随着光的强度的增加，材料响应也会非线性增加的材料。
在光学领域中，非线性光学材料通常被分为三类: 折射率非线性材料、吸收非线性材料、非线性色散材料。
折射率非线性材料指的是材料折射率会随着电磁场的变化而变化，其中又可以分为 Kerr（克尔）效应和 Pockels（波克尔斯）效应两种；吸收非线性材料实为受到光的反射、散射、吸收等情况的影响，使得材料对光的响应是非线性的；非线性色散材料指材料的色散特性是非线性的，例如二次谐波发生器。
二、非线性光学材料的应用非线性光学材料在光学通信、生物医学、军事安全等领域应用广泛。
以下以光学通信为例，探讨非线性光学材料的应用。
在光学通信中，为了提高信息传输速率和容量，一般需要采用波分复用技术（Wavelength Division Multiplexing,简称WDM）。
在WDM技术中，数据通过不同的波长传输，而非线性光学效应可用于波长变换（Wavelength Conversion）和波长多播（Wavelength Multicasting）。
波长变换指将数据流从一个波长变为另一个波长。
克尔效应在其内部实现，因光该效应会导致非线性折射率发生变化，从而使不同波长的光子之间产生相互作用。
因此，使用非线性光学材料模拟器可以在不同波长之间保持相互关联并防止信号的干扰。
另外，非线性光学材料还可用于实现波长多播。
这是指在同一波长上将多个数据流同时发送。
在一个波长上可以同时拥有多个数据流，因此不同流可以在一个通道中传输。
这样一来，不但提高了信道的利用率，还能进行高速的多波长传输。
硼酸盐非线性光学晶体材料原理介绍
陈创天院士等人根据阴离子集团理论计算了B-O集团的倍频系数大小。结果显示：平面的 BO3基团有较大的微观倍频系数，而四面体的 BO4基团的微观倍频系数相对小得多。硼氧 阴离子基团微观倍频系数大小的排列为：
根据BBO和LBO的研究发现： B3O6因为具有悬挂键而使得晶体的带隙较小，紫外截止边
较大，不是实现深紫外倍频输出。 B3O7 基团通过互相连接消除了悬挂键，提高了带隙 降低了紫外截止边，但其双折射太小使得相位匹配范围太小，不能包括深紫外区域，因 而也不能实现深紫外倍频输出。 上世纪90年代初，陈创天课题组开始将BO3基团作为探索下一代紫外非线性光学晶体的 基本结构单元。当BO3基团三个终端氧原子(dangling bond)与其它原子相连后，消除了 终端氧的悬挂键时，能量带隙可增大到 8.27 eV，吸收边将紫移至150nm左右；同时， 虽然单个 BO3基团的微观倍频系数小于 B3O6 基团和 B3O7基团，但 BO3基团所占的空间 体积小，因此只要晶格中单位体积内BO3基团的数量比B3O6基团和B3O7基团的数量多， 该类化合物仍可产生较大的宏观倍频系数。在这一思想的指导下，陈创天课题组发现了
3. 光学透过范围宽，在工作波段有较高的透明度。目前探索新晶体的重点是用于紫外，特别是深紫 外区（λ<200 nm）以及中红外区（λ<15~10 μm）的可实用化的非线性光学晶体。对于这类非线 性光学晶体，我们要求它们有宽的透光范围。例如对能用于深紫外倍频的非线性光学晶体，一般 要求其在紫外区的透光范围达到λ≈150nm 附近；而对于在中红外区使用的非线性光学晶体，则要 求其在红外区的截止波长达到λ =15 ~ 20 μm。 相位匹配区间：能够实现Ⅰ类相位匹配的波长范围。
近些年来，为改善KBBF晶体的各种缺点，中国科学家又进行了一系列的研究。 改善KBBF晶体层状结晶习性 RbBe2BO3F2 ( 简称 RBBF) ，利用原子半径更大的 Rb 代替 KBe2BO3F2 中的 K ，从而使得 RbBe2BO3F2晶体的层间距减小，改善了KBBF晶体的层状生长问题。 NH4Be2BO3F2（简称ABBF）晶体具有相似的原理，因为NH(4+)与F之间的氢键比K-F离子 键强很多，因而NH(4+)离子团较K+离子对层与层之间有更强的结合力, ABBF较KBBF很 可能会拥有更好的层状生长性能。
非线性光学材料的制备与应用
非线性光学材料的制备与应用随着信息技术的快速发展，人们对高速、高容量、低功耗的光电信息处理和传输有着更高的要求，而非线性光学材料正是满足这一需求的重要材料之一。
本文将介绍非线性光学材料的制备方法及其应用。
一、非线性光学材料的制备方法非线性光学(properties)是指当外界电磁波作用于物质后，物质的光学性质会发生变化，这种变化是非线性的。
常用的非线性光学过程包括二次谐波生成、三次谐波生成、自聚焦、自相位调制、非线性吸收等。
非线性光学材料是使这些光学过程发生的关键。
1. 化学合成法一种常用的非线性光学材料的制备方法是化学合成法。
其核心是选择具有非线性光学效应的化学物质，通过特定的合成步骤合成出实现特定功能的非线性光学材料。
这种方法包括溶剂热法、水热法、溶胶凝胶法等。
2. 气相沉积法气相沉积法是一种基于高温、高压条件下非线性光学材料的制备方法。
它通过气相沉积将金属蒸发产生的气体中非线性光学化合物转移到基板表面，以实现非线性光学材料的制备。
这种方法通常需要高温和高温，既影响了材料的物理和化学性质，也会对材料的晶体结构和成分产生影响。
因此，气相沉积法要求对实验设备和操作都要非常高。
3. 激光制备法激光制备法是以激光作为材料加热和烧结的能量源，实现非线性光学材料的制备。
这种方法常用于纳米级非线性光学材料的制备，可以通过控制激光的强度和时间实现对材料的灵活调控。
激光制备法具有环保、高效和高可控性等优点，被广泛应用于材料学、电子学等多个领域。
二、非线性光学材料的应用1. 光通信非线性光学材料在光通信中有着重要的应用。
以二次谐波生成为例，当光学信号通过非线性光学材料时，由于谐波产生，光信号频率会加倍。
这样，在光通信中可以实现一定距离的信息传输。
2. 光存储非线性光学材料在光存储中也有着重要的应用。
以三次谐波生成为例，当光信号通过非线性光学材料时，光强度会发生三倍增加，从而可以实现将大量信息储存在材料中的功能。
非线性光学材料的制备和应用
非线性光学材料的制备和应用一、引言随着现代科技的不断发展，非线性光学材料在光通信、激光等领域得到了广泛的应用，成为非常重要的工业材料和研究领域。
非线性光学材料拥有很多独特的光学性质，可以改善或增强传统线性光学材料的光谱、速度等方面的性能。
非线性光学材料的制备和应用是一个非常综合性的问题，需要涉及材料化学、物理学、光学及材料工程等多个领域的知识。
本文将对非线性光学材料的制备和应用进行深入的研究和探讨，以期为相关领域的科学家、工程师和技术人员提供参考。
二、非线性光学材料非线性光学材料是指在光射出后，能使其频率发生改变的材料。
不同于线性光学材料，当线性光学材料中的光在传播时，其波长保持不变，而非线性光学材料则能产生光学双频或多频效应，从而带来更多的应用前景。
非线性光学材料可以根据其非线性程度分为二阶非线性光学材料和三阶非线性光学材料两种类型。
二阶非线性光学材料的最重要的特点是“二次谐波产生”，即当高频入射光经过材料后，会产生两倍频率的二次谐波信号，其涉及到的主要参数是材料的二阶系数。
三阶非线性光学材料则是以“自作用”、“频率翻转”等特点而著称，其产生的三倍频信号为三阶翻转。
三、制备方法非线性光学材料的制备方法很多，包括氧化法、晶体生长法、溶胶凝胶法、高能辐射脉冲制备法等。
这里主要介绍几种常用的制备方法。
（一）晶体生长法晶体生长法又称结晶法，是制备非线性光学晶体的主要方法。
该方法指的是将所需材料的化学成分精确地配制在真空或不活性气氛条件下，然后通过“固相生长”或“溶解-析出生长”等途径使晶粒自行排列生长。
晶体生长法制备出的非线性光学晶体具有高度的结构性和空间结构有序性。
常用的晶体生长法有熔融法、溶液法、气相转移法等。
（二）氧化法氧化法是以化学反应方式制备材料，使用较广泛。
常见的氧化法有溶胶-凝胶法，水热法，固相反应法、热水热法等。
在氧化法中，主要研究的是材料的物理化学性质，如材料的相态、热处理温度、环境气氛等对其非线性光学性质的影响。
非线性光学材料的制备及其应用
非线性光学材料的制备及其应用近年来，随着半导体和光电子技术的飞速发展，非线性光学材料也成为了研究重点之一。
非线性光学材料具有很多优异的性能，在光通信、光存储、激光器、光纤传感、光学图像处理等领域得到了广泛的应用。
一、非线性光学材料的定义与基本原理非线性光学材料是指在电磁波作用下，产生非线性光学效应的材料。
在自然界中，水晶、玻璃、石英等都属于非线性光学材料。
非线性光学效应是指光强与物质响应的关系是非线性的，即当光强改变时，物质的光响应不是简单的比例关系。
非线性光学效应主要表现为三种：二次谐波产生效应、三次全频振荡效应和电光效应。
二、非线性光学材料的制备1、固相法固相法是指通过单晶、陶瓷、玻璃、纤维等的固相反应在高温下制备非线性光学材料。
这种方法制备的材料质量较高，但是不能制备大尺寸的材料。
2、液相法液相法是指通过各种溶液和混合溶剂的化学反应，在低温、大气压下制备非线性光学材料。
这种方法制备的材料可以大规模生产，并且制备过程简单，但是制备的材料质量和稳定性不如固相法制备的材料。
3、气相法气相法是指通过气相沉积、热蒸发、溅射等方法制备非线性光学材料。
这种方法制备的材料具有高纯度、高晶格完整性和较好的均匀性，但是制备设备和条件比较苛刻。
三、非线性光学材料的应用1、光通信现代通讯技术中的光通信已成为趋势，而非线性光学材料的二次谐波产生效应是制造新型通讯器件的基础。
例如，光开关、光谱分析仪、光电探测器等都需要非线性光学材料的支持。
2、光存储在海量的数字化数据中，光存储技术成为一种解决方案。
非线性光学材料在光存储中被广泛应用。
3、激光器非线性光学材料是激光加工领域中的核心材料。
二次谐波产生效应和非线性吸收效应被广泛应用于激光极限加工和实现微型加工。
4、光纤传感光纤传感技术是一种利用光纤的光学效应来进行动态或静态物理量测量的技术。
非线性光学材料在光纤传感中的应用主要是通过非线性全频振荡效应来提高传感系统的测量精度。
非线性光学晶体材料
非线性光学晶体材料一、什么是非线性光学晶体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。
二、非线性光学晶体材料的产生1961年，美国科学家Franken将一束红宝石产生的激光束入射到石英晶体上，发现射出的激光束中除了红宝石的693.4nm的光束外，在紫外区还出现了一条二倍频率的347.2nm的光谱线，这是首次发现晶体的非线性光学效应。
科学家们立即认识到非线性光学材料可以作为激光变频材料。
在近50年的发展中，非线性光学晶体材料已成为最重要的信息材料之一，广泛应用于激光通信、光学雷达、医用器件、材料加工、x射线光刻技术等，在人们的生活中起到了越来越重要的作用。
图1 激光的倍频辐射现象三、非线性光学晶体材料的应用和发展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。
非线性光学晶体材料是光电子技术特别是激光技术的重要物质基础，可以用于激光频率转换、调制激光的强度和相位、实现激光信号的全息存储等，在激光通讯、激光信息存储与处理、激光材料加工以及军用激光技术等领域都有重要应用。
图2 非线性光学材料的广泛应用近几十年来，人们在研究与探索非线性光学晶体材料方面做了大量工作，取得了丰硕的研究成果，涌现出了一批性能优良的非线性光学晶体。
人们已将非线性光学晶体材料，由无机晶体拓展到有机晶体，由体块晶体发展到薄膜、纤维和超晶格材料。
7章 非线性光学晶体材料1
其中, 和频 差频 倍频 3=1+2 3=1-2 1=2=时,3=1+2=2
光整流
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
二次谐波
3 1 2
k3 n(3 ) n(3 ) 3 (1 2 ) c c
(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
3 n y ' nx ' no 63 E z
1 3 n y ' no no 63 E z 2
通过长为l的晶体后的相位差
2
(n y ' nx ' )l
2
半波电压
V 2
3 2no 63
n Ezl
3 o 63
2
3 no 63V
线性电光效应或Pockels效应: 相位差与电压V成正比
自泵浦相位共轭效应的应用
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 kE 2
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；
非线性光学材料
非线性光学材料CASTEP软件的主要功能及原理半导体、非线性光学材料、金属氧化物、玻璃、陶瓷等固体材料，对电子工业、航空航天以及石化、化工等工业领域有着非常重要的战略意义。
对这些材料而言，其电子的结构与性质，以及表面和界面的性质与行为都非常重要。
半导体和其他固体材料的许多性能由电子性质决定，而电子性质又由原子结构决定，特别是缺陷在改变电子结构上的作用对半导体性质尤为重要。
分子模拟，特别是量子物理技术，可用来预测原子和电子结构及分析缺陷对材料性能的影响。
CASTEP 能有效的研究存在点缺陷、空位、替代杂质、位错等的半导体和其它材料中的的性能。
CASTEP的量子力学方法，为深入了解固体材料的这些性质并进而设计新的材料，提供了强有力的工具。
1．CASTEP软件的主要功能基于密度泛函平面波赝势方法的CASTEP 软件可以对许多体系包括象半导体、陶瓷、金属、矿石、沸石等进行第一原理量子力学计算。
典型的功能包括研究表面化学、带结构、态密度、和光学性质。
它也能够研究体系电荷密度的空间分布和体系波函数。
CASTEP 还可以用来计算晶体的弹性模量和相关的机械性能，如泊松系数等。
CASTEP 中的过度态搜索工具提供了研究气相或者材料表面化学反应的技术。
总的来说，它可以实现：计算体系的总能；进行结构优化；执行动力学任务；在设置的温度和关联参数下，研究体系中原子的运动行为；计算周期体系的弹性常数；化学反应的过度态搜索等。
除此之外，计算一些晶体的性质，如能带结构、态密度、聚居数分析、声子色散关系、声子太密度、光学性质、应力等。
量子力学计算精确度高但计算密集。
直到最近，表征固体和表面所需的扩展体系的量子力学模拟对大多数研究者来说才切实可行。
然而，不断发展的计算机功能和算法的进步使这种计算越来越容易实现。
与许多该领域一流专家一起工作推动固体量子力学发展，通过提供可方便直接进入上述CASTEP 计算方法中。
2．CASTEP 软件的主要理论（1）密度泛函理论(DFT)CASTEP 的理论基础是电荷密度泛函理论在局域电荷密度近似(LDA)或是广义梯度近似(GGA)的版本。
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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
(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.
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)
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.
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.
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
(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.
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
三、光折变晶体的应用
自泵浦相位共轭效应的应用
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
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
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.
(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
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。
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)
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]
(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
(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
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.
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)
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