非线性光学材料小结讲解

非线性光学材料

一、概述

20 世纪 60 年代 , Franken 等人用红宝石激光束通过石英晶体 , 首次观察到倍频效应 , 从而宣告了非线性光学的诞生,非线性光学材料也随之产生。

定义:可以产生非线性光学效应的介质

(一、非线性光学效应

当激光这样的强光在介质传播时,出现光的相位、频率、强度、或是其他一些传播特性都发生变化,而且这些变化与入射光的强度相关。

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 = α E + β E2 + γ E3 + ⋯⋯

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。

对宏观介质来说 ,

p = x (1 E + x(2 E2 + x (3E3 + ⋯⋯

其中 x (1 、 x(2 、 x(3 ⋯⋯类似于α、β、γ⋯⋯ , 表示介质的一阶、二阶、

三阶等 n 阶非线性系数。因此 , 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。

另外 , 在工作波长可实现相位匹配 , 有较高的功率破环阈值 , 宽的透过能力 , 材料

的光学完整性、均匀性、硬度及化学稳定性好 , 易于进行各种机械、光学加工也是必需的。易于生产、价格便宜等也是应当考虑的因素。

目前研究较多的是二阶和三阶非线性光学效应。

常见非线性光学现象有:

①光学整流。 E 2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。

④受激拉曼散射。普通光源产生的拉曼散射是自发拉曼散射, 散射光是不相干的。当入射光采用很强的激光时, 由于激光辐射与物质分子的强烈作用, 使散射过程具有受激辐射的性质, 称受激拉曼散射。所产生的拉曼散射光具有很高的相干性, 其强度也比自发拉曼散射光强得多。利用受激拉曼散射可获得多种新波长的相干辐射, 并为深入研究强光与

物质相互作用的规律提供手段。

⑤自聚焦。介质在强光作用下折射率将随光强的增加而增大。激光束的强度具有高斯分布, 光强在中轴处最大,并向外围递减,于是激光束的轴线附近有较大的折射率,像凸透镜一样光束将向轴线自动会聚, 直到光束达到一细丝极限 (直径约

5×10-6米 , 并可在这细丝范围内产生全反射,犹如光在光学纤维内传播一样。

与自聚焦同样原理的另一种现象叫自散焦。

⑥光致透明。弱光下介质的吸收系数(见光的吸收与光强无关,但对很强的激光, 介质的吸收系数与光强有依赖关系, 某些本来不透明的介质在强光作用下吸收系数会变为零。

(二、非线性光学材料种类

1、无机非线性光学晶体

2、有机非线性光学晶体

3、无机 - 有机杂化材料等

(三、应用:广泛应用于激光技术和光谱技术

1、在倍频激光器中获得倍频光

2、用作光学参量振荡器,制成宽光谱范围的课调谐单色光源

3、实现将红外光变为可见光的频率转换

4、被认为是用于开发光计算机的关键材料

二、常见的非线性光学材料

2. 1 无机非线性光学材料

在二次非线性光学材料应用上 , 无机材料很长时间处于主要地位 , 取得了巨大的进展 , 至今已在许多装置中获得应用。与有机材料比 , 无机材料通常更稳定 , 它

们中许多材料都允许各向异性离子交换 , 使之可用于导波器材料 , 并且它们都有比有机材料纯度更高的晶体形式。其中包括 KTP ( KTiO2PO4 型材料、 KDP ( KH2 PO4 型材料、钙钛矿型 (LiNbO3 、 KNbO3 等材料、半导体材料 ( Te 、

Ag3AsS3 、 CdSe 等、硼酸盐系列材料 (包括 KB5 、 BBO 、 LBO 和 KBBF 等 , 另外还有如沸石分子筛基材料、玻璃型和配合物型材料等。

2. 1. 1 KDP 型晶体

主要包括 KH2 PO4 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. 1. 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。

2. 1. 3 硼酸盐晶体

如偏硼酸钡 (BBO , 三硼酸锂 (LBO 等。此类晶体的共同特点是紫外透光范围特别宽。其中 BBO 和 LBO 的优点是非线性系数大 , 转换效率高 , 透光范围宽 , 光损伤阈值高 , 化学稳定性好和易于机械加工。

2. 1. 4 半导体材料

如 Te 、 Ag3AsS3 、CdSe , GaP , GaAs , α一 SiC 和β一 SiC 等 , 通过调节材料的能隙 , 有效地改变电子的跃迁几率 , 从而控制材料的非线性光学响应。此类材料大多具有较高的非线性光学系数 , 缺点是晶体质量不高 , 光损伤阈值太低。

2. 1. 5 钙钛矿型晶体