非线性激光器及其材料研究
非线性光学晶体激光器研究
非线性光学晶体激光器研究非线性光学晶体激光器是近年来研究热点，它利用非线性效应来进行频率转换，从而实现高功率、高能量、高光束质量的激光输出。
这种激光器体积小、能量密度高，已经广泛应用于医学、环保、科学等领域。
一、非线性光学晶体激光器的基本原理非线性光学现象是指材料的光学参数（如折射率、吸收系数、偏振特性、光学色散等）随入射激光强度的增加而发生非线性变化的现象。
而晶体是一种自然产生非线性光学效应的材料，它有着克尔微效应、拉曼效应、Kerr效应、电吸收效应等多种非线性效应，其中Kerr效应和双折射现象尤其重要。
具体地，Kerr效应是指材料中电子的产生非线性极化，而双折射则是指材料的折射率随光的入射位置或方向的不同而有所变化。
基于这些非线性效应，我们可以设计出一些非线性光学元件，如倍频器、混频器、调制器、光学开关等。
而当这些元件与激光器结合起来时，就可以构成非线性光学晶体激光器。
这种激光器的基本结构包括谐振腔、被泵浦的晶体、倍频或混频晶体和输出窗口。
二、非线性光学晶体激光器的研究现状目前，关于非线性光学晶体激光器的研究主要分为三个方向：非线性晶体的研究、非线性光学器件的设计和晶体激光器的应用。
在非线性晶体的研究中，主要的问题是如何寻找具有优良非线性效应的晶体，并研究它们的光学性质和物理机制。
目前，国内外已经发现了一些具有较好非线性效应的晶体，如KTP、BiBO、LBO、BBO、PPKTP等，其中KTP和BBO应用较为广泛，LBO的晶体热学特性和光学色散更加优良，BiBO的平面相位匹配效应可达到2次倍频晶体。
在非线性光学器件的设计中，主要的问题是如何利用这些晶体构造出能够实现高效率、高稳定性的光学元件，如倍频晶体、混频晶体、光学开关和调制器等。
其中倍频晶体是应用最广泛的一种，其主要通过将红外光转化为蓝紫色光、绿色光、黄色光或紫外光等，从而得到高波长、高能量、高光束质量的激光输出。
近年来，研究者们还利用非线性晶体设计了一些新型的光学元件，如调制倍频器、光学开关倍频器、主动调Q调制器等，这些器件具有更高的效率和可靠性。
非线性光学效应在激光器中的应用
非线性光学效应在激光器中的应用随着科学技术的不断发展，激光技术得到了广泛的应用。
激光器的能量主要来自于发生在实体中的非线性光学效应。
这些效应包括二次谐波产生、差频和和频混频，以及自聚焦效应，它们为激光器提供了重要的能量来源和功能。
非线性光学效应的基本原理是在光传播途径中，强光场作用下光物质相互作用不再遵循均匀介质光学理论规律，而产生瞬间光物质相互作用非线性效应，使光场的形态产生明显的变化。
其中最为常见的效应为二次谐波产生，这是指一个频率为ω的激光束在通过一个非线性晶体后，产生一个频率为2ω的二次谐波。
二次谐波产生是非常有用的现象，因为它在光学通讯、医学成像、激光制造等领域都有着重要的应用。
通常情况下，激光器采用Nd:YAG等固体激光器，通过谐振腔内的光放大作用来提高光的能量。
但是由于晶体材料不能承受太高的光功率密度，二次谐波产生还需要在非线性晶体中进行。
二次谐波晶体通常选用KDP、LBO和BBO等材料，这些晶体具有很高的非线性光学效应和光学均匀性，能够很好地产生二次谐波。
除了二次谐波产生之外，还有一些其它的非线性光学效应在激光器中也发挥着重要的作用。
其中最为重要的是和频混频效应，这是指将两束频率分别为ω1和ω2的激光束在某些特定的非线性晶体中混合，产生频率为ω1+ω2的新的光束。
和频混频广泛应用于激光干涉测量、光学加工、光学通讯等领域，是非常重要的非线性光学效应。
此外，自聚焦效应也是非常重要的非线性光学现象之一。
在激光器中，由于光强度过大，会导致光与空气或介质的相互作用而出现自聚焦效应。
这种效应可以使激光产生更高的功率，并能够产生更小的光斑。
总之，非线性光学效应在激光器中有着广泛的应用。
通过选择合适的非线性晶体和谐振腔结构，可以实现不同的光学效应，从而满足不同领域的需求。
这一领域的发展也促进了激光技术在各个领域的应用，为人们的生活和科技的进步带来了无限的可能。
(精选)非线性光学晶体材料
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Nd基型激光器的倍频
➢ KTP晶体 ➢ LBO晶体
Nd：YAG激光的三、四、五倍频器件
➢ LBO晶体 ➢ CBO晶体 ➢ BBO晶体
Ti：sapphire的倍频器件
➢ LBO晶体 ➢ BBO晶体
深紫外谐波光的器件
➢ KBBF晶体 ➢ CLBO晶体 ➢ KABO晶体
铌酸盐晶体
➢ KNbO3晶体 ➢ LiNbO3晶体 ➢ MgO：LiNbO3晶体
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 ➢ SBB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：
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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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
准相位匹配谐波器件
➢ LiNbO3晶体
➢ KTP晶体
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个人观点供参考，欢迎讨论！
1
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
2
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
固体化学复习题及答案
第一章绪论1、固体化学的研究内容是什么？基本内容包括：固体物质的合成，固体的组成和结构，固相中的化学反应，固体中的缺陷，固体表面化学，固体的性质与新材料等。
固体化学主要是研究固体物质（包括材料）的合成、反应、组成和性能及相关现象、规律和原因的科学。
固体化学的研究内容十分广泛。
它与固体物理及其他许多学科相互交叉渗透，因此很难给出明确的，全面的研究范围。
它着重于研究固态物质（包括单晶、多晶、玻璃、陶瓷、薄膜、超微粒子等）的合成、反应、组成、结构和各种宏观和微观性质。
2、假如你是从事无机材料方面的研究者，你的研究成果可以在哪些国内外期刊上投稿，试列举出其中的20种期刊。
《中国稀土学报》《功能材料》《无机材料学报》《无机化学学报》《人工晶体学学报》《硅酸盐通报》《材料科学与工艺》《SCI》《材料科学技术学报（英文版）》《材料工程》《材料导报》《纳米科技》《Chemistry of Materials》《Crystal Growth & Design》《Inorganic Chemistry》《ACS Nano》《NANO letter》《Solar energy materials and solar cells》《Rare Earth Bulletin 》《Journal of Applied Crystallography 》《Journal of the Energy Institute 》《半导体学报》《玻璃与搪瓷》《无机硅化合物》《材料研究学报》；（10）《crystal growth and disign》；（11）《internatianal journal of inorganic materials》;（12）《inorganic materials 》；（13）《crystal research and techonolgy》；（14）；《journal of crystal growth 》；（15）《inorganic chemistry》；（16）《advanced founctional materials》；（17）《chemistry of materials》；（18）《japanese new materials》；（19）《journal of materials chemistry》；（20）《advanced materials》。
非线性光学实验技术的使用教程
非线性光学实验技术的使用教程近年来，随着科学技术的不断发展，非线性光学实验技术在各个领域得到广泛应用。
它能够研究物质的非线性光学性质，实现信号的调制、转换和处理，为光电子学、信息光学、生物医学等领域提供了有效的手段。
本文将以非线性光学实验技术的使用教程为主题，介绍一些基本的实验技术和常用的设备。
一、基本原理与实验技术非线性光学实验技术是基于非线性光学效应的研究方法，在实验中，我们通常会用到以下几种基本的非线性光学效应：1. 第二次谐波发生器（SHG）第二次谐波发生器是最常用的非线性光学器件之一。
它利用非线性光学晶体的二阶非线性极化效应，将输入光的频率翻倍，产生二倍频信号。
其原理是通过施加足够高的电场或光强，使光子在晶体中发生频率加倍的过程。
使用时需要调整入射光的角度、波长和功率，以获得最佳的效果。
2. 光学参量振荡器（OPA）光学参量振荡器是一种基于非线性晶体的相位匹配条件的非线性光学器件。
它可以将一个泵浦光波分成两个信号光波，并且其频率和波长可以调节。
OPA被广泛应用于频谱分析、光谱调制、材料研究等领域。
3. 光学参量放大器（OPA）光学参量放大器是一种能够放大输入光信号的非线性光学器件。
它利用非线性晶体的光学参量效应，通过注入泵浦光束和信号光束，实现对信号光的放大。
OPA在信号增强、多光子显微成像等方面具有很大的优势。
二、常用设备的使用与技巧在进行非线性光学实验时，我们通常需要使用一些特殊的设备。
下面将介绍一些常见的设备及其使用技巧：1. 光谱仪光谱仪是测量光信号能量和频率的重要设备。
在非线性光学实验中，我们需要通过光谱仪来监测实验信号的频率变化。
使用时，应注意调整光路，对准光束，确保得到准确的数据。
2. 频率多普勒效应测量系统频率多普勒效应测量系统是非线性光学实验中常用的设备之一。
它通过测量光频的变化来确定光在介质中的速度。
在使用前，我们需要校准系统，调整参数，确保测量结果的准确性。
3. 激光功率计激光功率计是测量激光功率的重要工具。
非线性光学的基本原理与应用
非线性光学的基本原理与应用非线性光学是研究光与物质相互作用时引起的非线性效应的一门学科。
与线性光学不同，非线性光学研究的是强光场下，光与物质之间的非线性相互作用过程。
它涉及到光强、偏振、频率等多个方面的因素，包括一些重要的效应和现象，如倍频、和谐生成、光学全息、自聚焦等。
非线性光学不仅在基础研究方面有重要作用，同时在信息处理、光通信、激光技术等众多领域也有广泛应用。
一、基本原理：非线性光学的基本原理可以从哈密顿量的角度进行解释。
在经典电动力学中，电子受到电磁场的作用时，其运动方程为：m(d²r/dt²) = -e(E + v×B)其中，m为电子的质量，r为电子的位置矢量，t为时间，e为电子的电荷量，E为电磁场对电子的电场，B为电磁场对电子的磁场，v为电子的速度。
在非线性光学中，介质的极化强度与电场的关系不再是线性的，而具有非线性的电场-极化关系。
这是因为电子在强光场作用下，其运动方程中的二次项和更高次项不能忽略。
二、效应与应用：1.倍频现象：倍频效应是非线性光学中最常见的效应之一。
它利用非线性光学晶体的非线性光学性质，将输入光的频率倍增。
这种倍频现象被广泛应用于激光技术领域，可用于制造高功率激光器、红外光学器件等。
2.和谐生成：和谐生成是通过非线性光学晶体实现将输入光的频率与光学晶体本身的特征频率相结合的过程。
这种效应可以用于制造光学频率标准器、精密测量仪器等。
3.光学全息：光学全息是利用非线性光学效应来记录和再现物体的全息图像。
它具有高分辨率、大容量等优点，在图像存储、光学图像处理等方面有广泛应用。
4.自聚焦：自聚焦效应是在大光强场作用下，物质的折射率随光强变化而引起的对光的聚焦。
这种效应广泛应用于激光切割、光通信等领域。
5.光学非线性材料：非线性光学材料是利用非线性光学效应制备的材料，具有改变光学特性、电光效应、光致变色等特点。
这类材料在信息存储、光通信、光信息处理等方面有广泛应用。
光学材料的非线性光学特性与应用
光学材料的非线性光学特性与应用光学材料是一类具有特殊结构和性质的材料，能够对光的传播和相互作用产生非线性响应。
这些特性使得光学材料在光电子学、通信技术和光信息处理等领域有广泛的应用。
本文将探讨光学材料的非线性光学特性及其应用。
首先，我们来了解一下什么是非线性光学。
光学材料的非线性光学指的是光的传播和相互作用过程中，电磁波的光学响应随光强的增加而非线性变化的现象。
与线性光学不同的是，非线性光学材料的光学性质不仅仅取决于光的频率和波长，还受到光强和光场的空间分布的影响。
非线性光学特性主要包括光学非线性效应和非线性光学参数。
光学非线性效应是指在非线性光学材料中，光与物质相互作用时会引起新的光现象，如二次谐波产生、频率倍增、自聚焦和自相位调制等。
而非线性光学参数则用来描述材料对光场的非线性响应程度，如非线性系数、饱和光强和相位差等。
非线性光学材料的应用十分广泛。
其中，光学频率倍增技术是一种重要的应用。
通过将光束输入非线性光学材料中，利用材料的非线性效应可以将光的频率倍增，从而得到新的频率成分。
这一技术在激光器输出频率调整、量子计算和超快光学研究等领域有着重要的应用。
另外，非线性光学还可以实现光信息的传输和处理。
光纤通信是光学非线性材料应用的一个典型例子。
在光纤中，光束的传播受到非线性效应的影响，这使得光信号能够在光纤中自动调整和修正，从而提高信息传输的容量和质量。
除了上述应用外，非线性光学材料还可以用于光学传感和生物医学领域。
例如，非线性光学成像技术可以实现对生物组织的微观成像，为疾病的早期诊断提供重要依据。
另外，非线性光学材料作为传感器的材料，可以利用光的非线性过程对环境中的物质进行检测和分析。
然而，尽管非线性光学材料在多个领域有广泛应用，但其制备与性能研究仍然面临一系列难题。
首先，目前常用的非线性光学材料主要是有机分子和某些无机材料，而这些材料的响应速度较慢，对激光的功率和波长有限制。
其次，非线性光学材料的非线性系数还有提高的空间，需要进一步研究和开发。
光学材料非线性研究
非线性光学（nonlinear optics）非线性光学，又称强光光学，是现代光学的一个分支，研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。
在强光作用下物质的响应与场强呈现非线性关系，与场强有关的光学效应称为非线性光学效应。
激光问世之前，基本上是研究弱光束在介质中的传播，确定介质光学性质的折射率或极化率是与光强无关的常量，介质的极化强度与光波的电场强度成正比，光波叠加时遵守线性叠加原理。
在上述条件下研究光学问题称为线性光学。
对很强的激光，例如当光波的电场强度可与原子内部的库仑场相比拟时，光与介质的相互作用将产生非线性效应，反映介质性质的物理量（如极化强度等）不仅与场强E的一次方有关，而且还决定于E的更高幂次项，从而导致线性光学中不明显的许多新现象。
介质极化率P与场强的关系可写成P＝α1E＋α2E2＋α3E3＋…非线性效应是E项及更高幂次项起作用的结果。
常见非线性光学现象有：①光学整流。
E2项的存在将引起介质的恒定极化项，产生恒定的极化电荷和相应的电势差，电势差与光强成正比而与频率无关，类似于交流电经整流管整流后得到直流电压。
②产生高次谐波。
弱光进入介质后频率保持不变。
强光进入介质后，由于介质的非线性效应，除原来的频率ω外，还将出现2ω、3ω、……等的高次谐波。
1961年美国的P.A.弗兰肯和他的同事们首次在实验上观察到二次谐波。
他们把红宝石激光器发出的3千瓦红色（6943埃）激光脉冲聚焦到石英晶片上，观察到了波长为3471.5埃的紫外二次谐波。
若把一块铌酸钡钠晶体放在1瓦、1.06微米波长的激光器腔内，可得到连续的1瓦二次谐波激光，波长为5323埃。
非线性介质的这种倍频效应在激光技术中有重要应用。
③光学混频。
当两束频率为ω1和ω2（ω1＞ω2）的激光同时射入介质时，如果只考虑极化强度P的二次项，将产生频率为ω1＋ω2的和频项和频率为ω1－ω2的差频项。
利用光学混频效应可制作光学参量振荡器，这是一种可在很宽范围内调谐的类似激光器的光源，可发射从红外到紫外的相干辐射。
非线性光学研究进展及其应用前景
非线性光学研究进展及其应用前景近年来，随着科学技术的迅猛发展，光学研究也得到了极大的发展。
其中非线性光学研究是近些年来发展十分迅速的一种重要光学研究方向。
本文主要探究非线性光学研究的发展史和现状，介绍其应用前景。
一、非线性光学研究的发展历程非线性光学研究可以追溯到19世纪末，但直至20世纪60年代，该领域才得到了系统深入的研究，并较早地发现了自相位调制、折射率调制等现象。
此后，该领域也经历了多次成果突破，如第二次谐波发生、电光调制、非线性光学吸收和倍频发生等。
在物理学领域，存在着两种线性和非线性的现象。
而线性研究主要是指在物质介质中，电磁波或光经过介质后，具有同样方向、相同频率、强度成正比的规律。
而非线性现象则表现为，当电磁波或光在物质介质中传播时，介质的效应因电磁场本身的强度而发生改变，极大地影响到了光学的研究。
随着非线性光学领域发展的深入，人们也逐渐注意到了在现代工业、生物医学工程、通讯技术、信息处理等一系列领域中的应用前景。
目前，该领域已经在现代光纤通信、分子生物医学成像、激光加工等方面有广泛的应用。
二、非线性光学研究的应用1. 光通讯在光通讯中，非线性光学具有多种应用，例如分布式光纤传感技术、超快波长交错多泵浦光纤激光器等。
非线性光学现象可以使信号具有更低的损耗，提供更高的通讯带宽，并为光信号处理提供了额外的可能性。
2. 生物医学成像非线性光学在生物医学成像中也有广泛的应用。
它能够提供分辨率更高和更深层次的三维成像，对生物分子、细胞、组织结构以及活性进行无创、高灵敏度的探测。
示例包括基于非线性光学的多光子显微镜、双光子激发荧光显微镜等。
3. 激光加工非线性光学现象还可用于加工三维纳米结构，制造具有微米和亚米尺度角分辨率的三维微结构，用于光学芯片及其它应用。
例如，基于非线性光学现象的超短脉冲激光加工技术可以制造表面微纳米结构，以改善材料表面的润湿性、黏附性、放电电性等。
4. 其它领域非线性光学在太阳能电池材料、量子信息处理、光电器件等领域中也有广泛的应用。
激光出光不稳定原因的研究与探讨
激光出光不稳定原因的研究与探讨激光出光不稳定是指激光器在工作过程中出现的功率波动或光束变化。
这种不稳定性不仅会影响到激光器的输出功率和能量分布，还可能导致激光器的寿命缩短或工作性能下降。
为了解决这一问题，科学家们进行了大量的研究和探索。
本文将从激光器结构、工作环境和材料等多个方面，探讨激光出光不稳定的原因，并介绍一些解决方案。
一、激光器结构对出光稳定性的影响激光器的结构是影响出光稳定性的重要因素之一。
常见的激光器结构包括气体激光器、固体激光器和半导体激光器等。
不同结构的激光器存在着各自特定的出光不稳定性问题。
1. 气体激光器的出光不稳定主要受到激光气体的混合比例、温度和压强等因素的影响。
由于激光气体的分子数密度和速率系数对气体激光器的输出功率有着较大的影响，因此气体激光器的稳定性较差。
2. 固体激光器的出光不稳定问题主要与晶体材料的热效应有关。
固体激光器在工作过程中由于吸收和散射声子（晶格振动）而产生热效应，导致晶体与外界环境的温度变化以及晶体的热应力等问题，从而影响激光器的出光稳定性。
3. 半导体激光器的出光不稳定主要受到工作电流和温度的影响。
在半导体材料中，由于载流子的激发和再组合效应，会产生局部温度升高和电流密度分布不均匀等问题，从而导致激光器输出功率的波动。
二、激光器工作环境对出光稳定性的影响除了激光器的结构，激光器的工作环境也会对出光稳定性产生一定影响。
具体表现为以下几个方面。
1. 温度变化：激光器在不同温度下的出光稳定性可能存在差异。
温度变化会导致激光器内部元件的热膨胀和折射率的变化，从而影响激光器的共振条件和输出功率。
2. 湿度变化：激光器在高湿度环境下容易受到水分的吸收，导致光束的散射和吸收增加，从而影响激光器的单波长输出值和稳定性。
3. 磁场干扰：激光器在强磁场环境下也可能受到磁场的影响。
磁场的作用会改变激光器内部元件的电子自旋和能带结构，因此可能导致激光器的输出功率和频率发生变化。
无机紫外非线性光学晶体材料的研究进展
无机紫外非线性光学晶体材料的研究进展摘要：紫外（ＵＶ）（λ＜４００ｎｍ）非线性光学（ＮＬＯ）晶体材料，是全固态紫外激光器的核心部件，在许多新兴科学技术应用中具有独一无二的作用，广泛应用于光刻、光电谱图、激光光谱、生物物理以及激光药学等领域，被誉为光电行业的“芯片”．因此，亟需发展新的高性能ＵＶＮＬＯ材料来突破目前的性能壁垒．本文对无机紫外非线性光学晶体材料的研究进展进行分析，以供参考。
关键词：紫外非线性光学材料；功能基团；硼酸盐引言非线性光学材料,特别是无机紫外(λ<200纳米)领域,一直是材料科学的热点。
研究新材料的理论计算方法可以减少传统材料合成的不确定性,缩短实验周期,降低实验成本。
随着计算机、工作站和服务器性能的提高,基于计算机数值模拟的材料设计研究正在成为加速新材料开发过程的更有效方法。
基于先前对一系列非线性光学晶体结构特性的研究,人工养蜂算法首次预测了四种双折射率约为0.085的NaBeBO3结构。
其性能的初步评价原理表明,P63/m的切削侧比商用α-BaB2O4晶体低20nm;P-6相频率的增加与KH2PO4相当,而其结构显示出优异的生长特性;NaBeBO3可以用作无机紫外光学材料的替代品,具有潜在的应用。
1无机紫外NLO晶体的发展历程同位素具有丰富的化学结构,B原子可作为BO3和BO4两种编码方式使用,并进一步聚合成一维链、二维层和三维网,使同位素具有丰富的晶体结构。
因此,同位素是设计合成新型无机紫外线晶体材料NLO的首选系统。
基于阴离子群理论,BO3平面元件具有不对称的电子云分布,具有较大的微极化系数。
BO3平面元件的平行布置有利于获得较大的频率延伸效果和双折射率,这两个参数直接决定了材料激光转换效率和波长范围对应用频率的直接延伸。
在此基础上,陈尚田提出以BO3为主要结构单元,通过引入BeO3F四极元素来消除“悬挂式钥匙”,探索NLO无机紫外线晶体的新途径。
随后发现了RbBe2BO3F2(RBBF)和CsBe2BO3F2(CBBF)晶体。
非线性光学材料
我国在非线性光学晶体研制方面成绩卓著，某些晶体处于世界领先地位 。
选择依据
选择依据
选择非线性光学材料的主要依据有以下几方面： ①有较大的非线性极化率。这是基本的但不是唯一的要求。由于激光器的功率可达到很高的水平，即使非线 性极化率不很大，也可通过增强入射激光功率的办法来加强所要获得的非线性光学效应； ②有合适的透明程度及足够的光学均匀性，亦即在激光工作的频段内，材料对光的有害吸收及散射损耗都很 小； ③能以一定方式实现位相匹配； ④材料的损伤阈值较高，能承受较大的激光功率或能量； ⑤有合适的响应时间，分别对脉宽不同的脉冲激光或连续激光作出足够响应。
1.KDP 型晶体
主要包括KH2PO4 和四方晶系的一些同构物及其氘代物晶体等。此类晶体生长简单，容易得到高质量的单晶， 能够得到90°的相位匹配，适合于高功率倍频。虽然它们的非线性系数较小，但在高功率下并不妨碍获得高的转 换效率。
2.KTP 型晶体
主要包括KTiOPO4以及正交晶系的同构物等。KTP 晶体具有非线性系数大，吸收系数低，不易潮解，很难脆 裂，化学稳定性好，易加工和倍频转换效率高等优点，是一种优良的非线性光晶体，但紫外透过能力差限制了它 在紫外区的应用。
1.有机低分子非线性光学材料 主要包括如尿素及其衍生物，希夫碱系化合物，偶氮化合物，二苯乙烯类化合物，稠杂环化合物，酞菁类化 合物，有机盐类等一系列含发色团的具有π共轭链的近紫外吸收的小分子化合物材料。 有机分子具有大的离域的π电子共轭结构，易被极化，具有较大的非线性光学系数，易于设计和裁剪组合， 易于加工成型，便于器件化。另外，它们成本相对较低，介电常数低，光学响应快以及与铁电无机晶体可比拟或 远远超过的非共振光学极化率。所以可通过分子设计并合成的方法改变结构开发出新型结构材料。 2.
非线性光学和非线性光学器件
非线性光学和非线性光学器件随着近代科技的高速发展，越来越多的新型光学器件被研发出来。
其中，非线性光学器件是近年来备受瞩目的研究领域。
在这篇文章中，我将介绍什么是非线性光学，以及非线性光学器件的应用和研究进展。
什么是非线性光学？光学现象是一种线性光学现象。
即，光线在光学材料中的行进是按照直线行进的；而且在这个过程中，光束的能量没有发生变化。
但是在某些材料中（称为非线性材料），光在传播过程中会发生非线性光学效应，光束的光学特性会发生改变。
非线性光学的基本原理是利用非线性材料对于入射光的强度进行回应的特殊性质来实现的。
当光束通过非线性材料时，光的物理特性（如波长，频率，交错，极化等）会随着其强度而变化。
这种现象的显著特点是，当光的能量达到一定强度时，非线性反应会出现阈值。
有很多能够产生非线性反应的材料，例如：非晶态硅，GaAs晶体等。
这些材料通常由两种或更多种原子组成。
当一个光束通过这些材料时，它会与其中的原子发生相应的相互作用。
这种相互作用会导致材料内电子的转移和重新组合，随之而来的就是非线性效应。
非线性光学器件的应用在实际应用中，非线性光学器件被广泛用于光通信、材料加工、激光雷达、荧光显微镜、光学计算等领域。
下面我将具体介绍这些应用。
1. 光通信非线性光学器件在光纤通信中扮演着至关重要的角色。
例如，光纤光放大器，光纤光开关，光纤放大器等都是利用非线性光学原理来工作的。
光纤光放大器是指通过光放大器来放大光信号，它可以显著提高光信号传输的质量和信号传输距离。
而光纤开关是指光在光纤中传输时能够实现光学信号的切换。
这些光学器件的出现，使光通信变得更加高效，普及化。
2. 材料加工利用高能量激光器器件，可以对金属、塑料等材料进行切割、焊接、雕刻等工作。
激光束在聚焦到材料上时，由于强度非常大，会在材料的内部产生高温和压力，从而使材料产生熔化、挥发、氧化等反应。
这些反应可以用于制造工业零部件、半导体芯片等。
3. 激光雷达激光雷达是一种雷达系统，它使用激光束而不是电磁波来检测和跟踪远高速位置和速度。
非线性光学晶体在激光器中的应用前景
非线性光学晶体在激光器中的应用前景引言激光器作为一种重要的光学器件，已经广泛应用于科学研究、医疗诊断、通信、材料加工等众多领域。
随着科学技术的不断发展，人们对激光器的性能要求也越来越高，特别是光学器件的非线性效应对激光器的性能提升起着关键作用。
本文将讨论非线性光学晶体在激光器中的应用前景。
1.非线性光学晶体的基本原理非线性光学晶体是一类具有非线性光学效应的晶体材料，其内部存在着非线性极化现象，即当晶体内的光场强度较高时，晶体极化强度与光场强度的关系不再是线性关系，而是呈现出非线性关系。
常见的非线性光学效应包括二次谐波产生、三次谐波产生、光参量振荡等。
2.非线性光学晶体在激光器中的应用2.1 高效率频率倍增非线性光学晶体可以将激光器发出的基频光转化为二次谐波光，从而实现频率倍增。
这种应用方式可以实现激光器输出频率的可控调节，使得激光器在不同领域的应用更加灵活多样。
同时，通过选择合适的非线性光学晶体材料，可以实现高效率的频率倍增，提高激光器的输出功率。
2.2 光学参量振荡非线性光学晶体还可以实现光学参量振荡，即在晶体中产生两个不同频率的激光光束。
这种应用方式可以实现光谱范围的扩展，使激光器能够在更广泛的频率范围内工作。
同时，光学参量振荡还可以用于激光器的频率锁定和频率稳定，提高激光器的输出稳定性。
2.3 光学调制非线性光学晶体可用于光学调制，即利用非线性效应调制激光的幅度、相位或频率。
这种应用方式可以实现激光信号的调制和调制的速度控制，从而扩展激光器的应用范围。
此外，利用非线性光学晶体的光学调制效应，还可以实现激光器在光通信、光存储等领域中的应用，提供高速、高容量的数据传输和存储。
3.非线性光学晶体的发展趋势3.1 新的非线性光学晶体材料的开发当前已有许多常见的非线性光学晶体材料，例如，锂飞石、BBO、KTP等。
然而，这些晶体材料在某些特定波段和功率密度下会出现一些限制，如热效应和损伤阈值。
因此，未来的发展趋势之一是开发新的非线性光学晶体材料，以克服这些限制，提高非线性效应的利用效率。
非线性光学材料的研究及应用
非线性光学材料的研究及应用随着科技的不断发展和进步，非线性光学材料越来越受到人们的重视。
非线性光学材料是一种特殊的光学材料，其具有独特的光学性质，如非线性光学效应，可以用于制作光电器件和光学器件。
本文将主要介绍非线性光学材料的基本概念，研究进展以及应用前景。
一、基本概念非线性光学是研究强光与物质相互作用时发生的非线性光学效应，也叫非线性光学现象。
非线性光学效应主要源于光与介质相互作用时高激发强度和高光强度的影响。
基于对介质响应的不同描述方式，非线性光学效应可以分为极化、吸收和折射等类型。
其中极化效应是非线性光学中最常见和重要的效应之一。
非线性光学材料是指光学性质表现出非线性行为的材料。
这些材料在高强度光场下表现出明显的非线性光学现象，如二次谐波产生、和波混频、光学开关、全息记忆、光学存储和激光器等。
非线性光学材料具有宽带响应、快速响应、高效率和大容量等特点。
二、研究进展随着非线性光学技术的快速发展，越来越多的材料被发现或设计出来具有非线性光学效应。
这些材料可以分为有机和无机材料两类。
有机非线性光学材料可分为线性共轭分子、离子液体、离子聚合物、液晶等。
无机非线性光学材料包括单晶和非晶态材料。
这些材料的非线性光学行为主要由其分子结构、晶体结构、离子液体和离子聚合物的结构等因素所决定。
目前，已经发现了许多有趣的非线性光学材料，如配合物、聚合物、非均相材料、无机晶体和自组装体等。
这些材料具有良好的光学性能，其制备方法包括合成、热处理、封装等。
此外，人们还通过掺杂、离子交换和结构调节等手段改进其性能。
三、应用前景非线性光学材料具有广泛的应用前景，尤其在光纤通信、激光加工、光学传感、生物医学和水下通信等领域。
在光纤通信方面，非线性光学材料被用来增强非线性光学效应，提高光学信号传输速度和范围。
例如，银纳米线掺杂的光纤通信可用于光学存储和同步信号传输中。
在光学传感方面，光学传感器可以利用非线性光学效应，根据物质的光学特性来检测变化。
非线性光学现象在纳米材料中的应用
非线性光学现象在纳米材料中的应用随着纳米技术的不断发展，纳米材料作为新型材料已经成为研究热点。
其中，非线性光学现象在纳米材料中的应用备受关注。
非线性光学现象是指在高强光的作用下，材料的光学性质会发生非线性变化，包括倍频、和频、差频、自聚焦、自相位调制等多种现象。
这些现象不仅对于光学基础科学具有重要意义，而且广泛应用于信息、能源、生物等领域。
一、非线性光学基础在了解非线性光学现象在纳米材料中的应用之前，先来简要了解一下一些基础概念和原理。
1. 非线性光学介质：非线性光学介质是指在高强光场下，光波和物质相互作用所发生非线性变化的物质。
它们与线性光学介质的不同之处在于，它们的折射率是非线性的，随着光强的增加，折射率也会发生变化。
2. 非线性极化：当光波的强度足够强时，介质的极化会不再遵循线性关系。
非线性极化效应可以理解为介质的电子或者离子受到光场的束缚，并因此发生电偶极矩变化的过程。
3. 三阶非线性极化：三阶非线性极化是非线性光学中一个很重要的概念，也是很多非线性光学现象的基础。
通过三阶非线性极化公式P(3) = χ(3)E3，可以解释光泵光调制、自相位调制、三阶倍频等多种非线性光学现象。
二、非线性光学现象在纳米材料中的应用在纳米材料中，非线性光学现象具有以下应用：1. 三阶非线性效应在纳米材料中的应用三阶非线性效应在纳米材料中的应用主要是利用其在非线性光学过程中的重要作用。
纳米材料中比较常见的三阶非线性效应包括三阶非线性双光子吸收、自聚焦效应、非线性折射率等。
这些现象具有非常广泛的应用，比如：（1）纳米荧光信号读出利用三阶非线性效应的自聚焦效应，可以提高纳米荧光信号的读出效果。
该方法通过将激光焦点聚集到样品表面，使得荧光信号的发射受到聚焦点的作用增强，并通过荧光信号的变化量来判读样品信息的变化。
（2）纳米激光器将三阶非线性效应的自相位调制和自聚焦效应结合起来，可以实现纳米激光器的制备。
这种激光器可以在低激光功率下实现高效率的光学信号传输和处理。
非线性材料
非线性材料
非线性材料是指在外界作用下，其力学性质和物理性质不随应力的大小而等比例变化的材料。
与线性材料相比，非线性材料更具有复杂的力学行为和性质。
非线性材料具有以下特点：
1. 力学性质的非线性：非线性材料在不同应力或应变条件下会表现出不同的力学行为，如弹性、塑性、黏弹性等。
2. 热性质的非线性：非线性材料在温度变化时会发生形态和性质的改变，如热膨胀、热变形等。
3. 电性质的非线性：非线性材料在电场作用下会发生电极化、电导率变化等非线性效应。
4. 光学性质的非线性：非线性材料在光场作用下会发生非线性光学效应，如光电效应、非线性折射等。
非线性材料的应用十分广泛，尤其在科技领域中起着重要作用。
以下是非线性材料的几个应用领域：
1. 光通信：非线性光学材料可以用于制造高效率的波分复用器、光放大器等光学器件，以及用于光学交换机、全光网络等光通信设备。
2. 激光技术：非线性光学材料可以用于制造高功率激光器、激
光器的倍频器和混频器等光学器件，以及用于激光医疗、激光制造等领域。
3. 光学传感：非线性光学材料可以用于制造高灵敏度的光学传感器，应用于环境监测、生命科学、医疗诊断等领域。
4. 光学计算：非线性光学材料可以用于制造光学计算器件，用于光学计算机、光学存储等领域。
5. 生物医学：非线性材料在生物医学领域有着广泛的应用，如用于成像、光谱分析、治疗等。
非线性材料的研究和应用为人类的科技进步和生活带来了许多便利和创新。
随着科技的发展和需求的增加，对非线性材料的研究和应用将会更加深入和广泛。
实验中非线性光学效应的测量与分析方法
实验中非线性光学效应的测量与分析方法非线性光学效应是光学领域中的重要研究内容，它在光信息处理、光通信、光储存、激光制导等领域有着广泛的应用。
为了准确测量和分析非线性光学效应，科学家们开发了一系列的实验方法和技术。
本文将介绍实验中非线性光学效应的测量与分析方法，帮助读者更好地理解和应用这些技术。
一、Z扫描法Z扫描法是一种常用的非线性光学效应测量方法，它能够测量介质的非线性折射率，从而揭示介质中的非线性光学性质。
该方法的基本原理是通过改变样品与激光束之间的相对位置，观察光束在Z方向上的传播规律。
通过测量光束的透过率变化，即可得到样品的非线性折射率。
在实验中，我们首先需要准备一个激光器和一束脉冲光束。
然后，将样品置于光程中，通过精确控制样品与激光束之间的间隔，扫描激光束的入射位置。
利用光电探测器可以测量出不同入射位置下的透过率，进而得到样品的非线性折射率。
通过对透过率-位置曲线的分析和计算，可以准确测量样品的非线性光学性质。
二、脉冲前沿法脉冲前沿法是另一种常用的非线性光学效应测量方法，它主要用于测量材料的非线性折射率以及非线性吸收系数。
该方法基于光的传播速度与折射率之间的关系，通过测量脉冲前沿的时间延迟来确定非线性折射率的大小。
在实验中，我们使用一束飞秒激光器产生超短脉冲光束，并将其透过待测样品。
通过在样品后面放置一个透镜和光电探测器，可以测量脉冲前沿的时间延迟。
通过改变样品的厚度或者使用不同的材料，可以得到不同的时间延迟。
通过对时间延迟与样品参数的关系进行拟合和计算，可以得到样品的非线性折射率和非线性吸收系数。
三、陡升法陡升法是一种用于测量非线性光学性质的新型方法，它主要用于测量非线性折射率。
该方法基于光束在非线性样品中的传播规律，通过测量光束传播过程中的波前畸变，进而得到样品的非线性光学性质。
在实验中，我们使用一束连续激光器产生的光束，并将其透过样品。
通过在样品后面放置一个透镜和CCD相机，可以在传播过程中捕捉光束的波前形状。
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第３ ７卷 第５期 ２ ０ １ ０年５月
中 国 激 光 犆 犎 犐 犖 犈 犛 犈犑 犗 犝 犚 犖 犃 犔犗 犉犔 犃 犛 犈 犚 犛
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５期
周广刚等 ： Ｂ Ｏ 晶体线性和非线性光学性质的计算 Ｌ
１ ３ ４ ３
２ 计算方法
晶体的电子能带结构和线性光学性质 （ 折射率 、 吸收 谱 等）可 用 Ｃ Ａ Ｓ Ｔ Ｅ Ｐ 软 件 进 行 直 接 计 算。 Ｃ Ａ Ｓ Ｔ Ｅ Ｐ 是一种 平 面 波 赝 势 全 电 子 能 量 量 化 软 件 包， 该量化软件包的理论基础是密度泛函理论 ， 在结 的 ＰＷ 一 构优化时采用了广 义 梯 度 近 似 （ Ｇ ＧＡ） ９ １（ 和赝势相结合的方法 ， 赝 种常用的交换相关能函数 ） 势为 倒 易 空 间 晶 格 （ Ｒ ｅ ｃ ｉ ｒ ｏ ｃ ａ ｌＳ ａ ｃ ｅ）的 超 软 ｐ ｐ （ ） 赝 势， 能量截断（ ） 为３ 自 Ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏ ｆ ｔ Ｅ ｃ ｕ ｔ ４ ０． ０ｅ Ｖ，
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引入了一套新的求 和 法 则 来 解 决 发 散 问 题 ， 取得了
［３］ 突破性进展 ； 采用坐标表象给出了收敛 Ａ ｖ ｅ ｒ ｓ ａ等 １ ［４］ 按照耦合微扰 性较好的 计 算 公 式 ； Ｒ ａ ｓ ｈ ｋ ｅ ｅ ｖ等 １
在能带 、 态密度及光 学 性 质 计 算 时 采 用 了 局 域 密 度 近似 （ 的Ｃ 一种局域近似 交换 相关 能 函 Ｌ Ｄ Ａ） Ａ Ｐ Ｚ（ 数） 和赝势相结合的方法 ， 赝势为倒易空间晶格的标 准守 恒 （ Ｎ ｏ ｒ ｍ ｃ ｏ ｎ ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｎ ｇ） 赝 势 ，能 量 截 断 为 自 洽 场 计 算 收 敛 精 度 为 每 原 子 １． ５ ０ ０． ０ｅ Ｖ， ０× 布里渊区求和是通过 Ｍ １ ０－６ ｅ Ｖ， ｏ ｎ ｋ ｈ ｏ ｒ ｓ ｔ Ｐ ａ ｃ ｋ网 格的特殊 Ｋ 点取样来完成的 ， 结构 优 化 和 性 质 计 算
１ 引 言
三硼酸锂 （ 晶体是一种性能优良 Ｌ ｉ Ｂ Ｌ Ｂ Ｏ） ３Ｏ ５， 的非线性光学晶 体 ， 具 有 透 过 波 段 宽、 接 受 角 宽、 离 散角小 、 激光损伤阈值高等优点 ，在近 红外 、 可 见光 和紫外波段 高 功 率 激 光 的 倍 频 （ 、 和 频、 参量 Ｓ ＨＧ） 振荡 和 腔 内 倍 频 器 件 等 领 域 中 有 广 阔 的 应 用 前
犔 犅 犗 晶体线性和非线性光学性质的计算
周广刚 卢贵武 于迎辉 张万松 赵 昆
（ 中国石油大学 （ 北京 ） 数理系 ，北京 １ ） ０ ２ ２ ４ ９ 摘要 采用从头计算平面波赝势法和耦合微扰方 法 计 算 了 三 硼 酸 锂 （ 晶 体 的 电 子 能 带 结 构、 线性光 Ｌ ｉ Ｂ Ｌ Ｂ Ｏ） ３Ｏ ５， 学系数和非线性光学系数 。 折射率 和 倍 频 系 数 的 计 算 结 果 与 实 验 结 果 基 本 符 合 。 能 带 和 电 子 态 密 度 计 算 表 明 ， 而价带顶和导带底的电子态杂 Ｌ Ｂ Ｏ 晶体中 Ｂ 原子的 ２ ｐ 轨道电子态和 Ｏ 原子的 ２ ｐ轨 道 电 子 态 发 生 了 明 显 杂 化 ， 化是其非线性光学效应的主要来源 。 关键词 非线性光学 ； 电子结构 ； 从头计算 ； 倍频系数 ； Ｌ Ｂ Ｏ 晶体 中图分类号 Ｏ ： ／ ７ ３ ４； Ｏ ４ ３ ７ 文献标识码 Ａ 犱 狅 犻 １ ０． ３ ７ ８ ８ 犆 犑 犔 ２ ０ １ ０ ３ ７ ０ ５． １ ３ ４ ２
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确保计算能够收敛采用了 ２ ７ 个空能带 。 广义梯度近似以增加与电荷密度梯度有关的参 量来对局域密度近 似 的 缺 点 加 以 改 进 ， 因此对许多 广义 梯 度 近 似 能 在 较 小 能 量 截 断 值 物理化学性质 ， 对有机分 的情况下使计算结 果 优 于 局 域 密 度 近 似 ， 子进行能量及相关性质计算时尤其如此 。 但是局域 密度近似在晶体能带及光学性质计算方面却优于广 因为局 域 密 度 近 似 虽 然 是 一 个 相 对 简 义梯度近似 ， 但它仍满 足 某 些 交 换 相 关 能 在 原 理 上 具 单的近似 ，
理计算了线性和非 线 性 光 学 系 数 ， 并用原子切断方
［］ 法分析了不同原子对非线性效应的贡献 ； Ｄ ｕ ａ ｎ等 ４
用线性缀 加 平 面 波 法 和 局 域 密 度 近 似 函 数 计 算 了 Ｌ Ｂ Ｏ 晶体的 电 子 结 构 和 光 学 性 质 。 本 文 应 用 第 一 性原理研究 Ｌ 采用耦合微 Ｂ Ｏ 晶体的电子能带结构 ， 扰方法 （ 计算 Ｌ 通 Ｃ Ｐ） Ｂ Ｏ 晶 体 的 非 线 性 光 学 系 数， 过分析 Ｌ 研究该晶体的非 Ｂ Ｏ 晶体的电子能带结构 ， 线性光学效应的主要来源 。
］ １～５ 景［ 。 对于 Ｌ 在 Ｂ Ｏ 晶体的电子结构 和光 学性质 ， ［］ 过去的 ２ ０年 里 已 做 了 大 量 研 究 工 作。徐 永 年 等 ６
［］ 密度 ； Ｌ ｉ Ｊ ｕ ｎ等 ８ 采 用 线 性 缀 加 平 面 波 法 计 算 了 电 ］ ９ 子结 构 和 线 性 光 学 系 数 ； 林 哲 帅 等［ 采用第一性原
［０ ］ 文件进行间接计算 。Ｂ 在 能带 结构 模 型 ｕ ｔ ｃ ｈ ｅ ｒ等 １
但在计算 的基础上推导出了 倍 频 系 数 的 计 算 公 式 ， 零频 （ ） 系数时出现的发散问题不易 Ｚ ｅ ｒ ｏ ｆ ｒ ｅ ｕ ｅ ｎ ｃ ｑ ｙ
［１］ 因 而 未 能 得 到 很 好 的 应 用； 给出了 解决 ， Ａ ｓ ｎ ｅ ｓ１ ｐ ［２ ］ 在立 方 晶 体 中 收 敛 的 计 算 公 式 ； Ｇ ｈ ａ ｈ ｒ ａ ｍ ａ ｎ ｉ等 １