非线性光学晶体

非线性光学现象
• 倍频
• 我们常说的倍频，其实用高次谐波表示更恰当。其实就是 用频率为ω的激光，入射到非线性晶体上，产生2ω、3ω、 4ω等高频激光。
• 光学混频
• 所谓混频就是用频率为ω1和频率为ω2的激光，经过非线 性材料后产生ω2-ω1的差频和ω2+ω1的和频，所以有时 候我们也叫做四波混频，用这种方式就可以拓展电磁波的 光谱范围。当然，还有一种反着来的方式，就是用参量放 大的形式，把频率为ω3的激光分解为ω1的信号光和ω2的 闲频光，通过这种方式可以用来得到一般激光器不能产生 的激光波长。
• 早些年，KBBF晶体主要应用于激光研究，中国于是向全球 科研机构开放供应，后来呢，中国高层发现，西方越来越 多的将其用于军事上，一怒之下就发了禁令，拒绝向国外 输出。
在激光晶体和非线性光学晶体领域，近几十
年以来，中国人的技术一直遥遥领先于全球。
• 我国在非线性晶体领域最主要的成就是 • （1）发明了掺镁LiNbO3晶体，通过掺杂使得LiNbO3的
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.
• 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.
非线性光学晶体材料
• 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 • KDP特点: 具有优良的压电、电光和频率转换性能, 易生长,
抗损伤阈值提高了两个数量级以上，大大开拓了铌酸锂晶 体的应用领域；
• （2）在硼酸盐系列中发现并研制出BBO、LBO、CBO、 KBBF等一系列性能优异的紫外非线性光学晶体，开创了紫 外激光倍频的新纪元，使得人类不断向固体紫外激光的极 限推进；
• （3）首次在国际上用溶剂法生长出可实际应用的KTP大单 晶，并实现产业化，使KTP晶体在全世界得到普遍的应用， 促进了激光技术的发展。
• （4）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。
• 据中科院网站报道，2015年8月，中国科学院发现新型无 铍深紫外非线性光学晶体材料LSBO。报道说，新发现的 LSBO晶体有望成为下一代深紫外非线性光学晶体的优秀 候选材料。
• 当美国人研究出KBBF晶体的时候，我们已在玩LSBO晶体 了！
目录
01
非物线联网性基光本学概念
Байду номын сангаас
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。
并不是所有的材料在强激光的作用 下都会产生非线性光学现象。这就 意味着如左图的正单轴晶体（例如 石英晶体）在该情况下不会发生非 线性效应，无论哪个入射角度都不 行。这里需要说明一点：非线性并 不一定是倍频，讲高次谐波会更合 适一点。
还可以用温度的方法来实现相位匹 配。因为不同温度条件下，材料的 折射率是不一样的，而且o光和e光 的折射率变化程度也是不同的，所 以我们就可以让上图在某个温度条 件下变成这个左图。这样就能实现 非线性效应了，而且90°的相位匹 配方式可以提高非线性的转换效率。
• 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。
封锁！”
• 内容是这么讲的：美国一家叫先进光学晶体的公司声称， 其已研发出足以媲美中国产品的氟代硼铍酸钾晶体，也 被称作KBBF，这是一种在制造深紫外激光器时必不可少 的原件，没有之一。
• 该公司兴奋的宣布，经过多年的研发，我们公司的部分 技术指标终于超越了中国同类产品！
• 声明中还表示，这种KBBF晶体作为一种重要的战略元件， 将有力的提升美国国防水平，打破中国长期以来的技术 封锁。
• 而要观察到非线性的光学效应，就需要相位匹配。
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• 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.
• (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.
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