非线性光学材料的性能及其改进

二、主要的非线性光学材料
KTP（磷酸钛氧钾）晶体：
20世纪70年代发现、80年代得到广泛应用， 具有非常大的非线性光学系数（约为KDP的5～20倍）； 在室温下能实现相位匹配，对温度和角度变化不敏感； 在0.35～4.5 m波段内透光性能良好； 机械性能优良，化学性质稳定，不潮解，耐高温， 主要用于YAG激光器的腔内、腔外倍频， 以便获得高功率的绿色激光光源。
二、主要的非线性光学材料
非线性光学材料的性能要求：
非线性光学系数(ijk、ijkl ...)要大； 能实现相位匹配（基频光与倍频光）； 透光波段要宽，透明度要高； 具有较高的抗光损伤阈值和光转换效率； 物化性能稳定，硬度大，不潮解，温度稳定性好。
KDP（磷酸二氢钾）晶体：
为人工生长的多功能性晶体（半个多世纪）， 具有较大的非线性光学系数和较高的抗激光损伤阈值， 从近红外到紫外波段都有很高的透过率， 可对1.06 m激光实现二倍频、三倍频和四倍频。
式中 ij为极化率， 0为真空电容率。
一、材料的非线性极化
材料由较强光波电场E （激光）引起的电极化强度Pi满足非线性关系：
（1） （2） Pi 0 E E j j Ek k j j ijk ij
（3） E j j Ek k El l ijkl
二、主要的非线性光学材料
AgGaS2晶体：
一种半导体型非线性光学晶体， 主要用于制作红外波段的激光倍频、混频等器件。
LAP（L精氨酸磷酸盐）晶体：
一种由天然碱性氨基酸（即L精氨酸分子）和 无机酸（即磷酸分子）组成的有机盐晶体， 性能优良，是当前较好的紫外频率变换材料， 对1.064 m的激光可实现倍频、三倍频和四倍频， 并可制成多频率转换器，还是用于激光核聚变的最佳材料之一。
一、材料的非线性极化
ijk 1和2的两束光 耦合作用：
非线性光学材料内（
)
当1 =2 =，3 =1＋2 =2时，所产生的谐波称为倍频光； 当3 =1＋2时，所产生的谐波称为和频 统称为混频； 当3 =1－2时，所产生的谐波称为差频 当3 =1－2 =0时，产生直流电极化称为光整流。
非线性光学材料的 性能及其改进
一、材料的非线性极化
光与材料的相互作用：
入射光波电场 材料的原子或分子体系 感生电偶极矩并进而辐射电磁波
材料的非线性极化：
强光场或其它外加场的扰动 材料的原子或分子内电子的运动
除线性振动外还受到偏离线性的附加扰动， 材料的电容率变为时间或空间的函数， 材料的极化响应与光波电场存在非线性关系。
二、主要的非线性光学材料
BBO（偏硼酸钡）晶体：
20世纪70年代末由中科院福建物质结构所发现和研制， 80年代后远销欧、美、日等国家和地区， 主要用于YAG激光器的二倍频、三倍频及四倍频泵浦的 参量振荡器和光参量放大器等。
LN（铌酸锂）晶体：
一种重要的多功能晶体， 具有较大的非线性光学系数；能实现非临界相位匹配； 但由于其激光损伤阈值较低而降低了其激光二次谐波发生作用， 主要用于制作激光倍频器件、光参量振荡器和集成光学元件等。
二、主要的非线性光学材料
近年来高速光通信、光信息处理等领域的飞速发展，对非线性光学 材料的研究起到了较大的推动作用。其中极化聚合物由于具有非线 性系数大、响应时间快、损伤阀值高、介电常数低、易于分子设计 等优点而倍受关注。然而一般情况下引入的生色团在聚合物薄膜中 任意排列分布，整个聚合物具有中心对称。为了在聚合物薄膜中产 生较强的二阶光学效应，就必须破坏这种中心对称性。高温电晕极 化是一种有效的方法[1]。 聚（氨酯—酰亚胺）（PUI）作为一种新型的二阶非线性光学材料， 兼具PU溶解性和成膜性好以及PI玻璃化转变温度较高，耐高温的优 点[2]。
1、2和3的三束光 耦合作用：
当出现第四种频率4的极化波， 进而辐射出相同频率的光波现象称为四波混频； 当基频波1 2 3 时，4 3 , 此效应称为三倍频效应， 由Pi3 辐射出的光波称为三次谐波。
（3）
非线性光学材料内（ijkl )
式中 j、 k、 l 分别为电场E j、Ek、El 对应的角频率， 右边第一项表示线性光学效应； 第二、第三项分别表示二次、三次非线性光学效应。
产生 二次非线性极化 二次谐波、和频、差频和光整流等过程； 产生 三次非线性极化 三次谐波、四波混频、受激散射
பைடு நூலகம்
和光学克尔效应等现象，
在光电子技术中广泛应用来实现光波频率的变换。
二、主要的非线性光学材料
在新型光学处理材料中非线性光学 （NLO）材料以其能实现倍频和三倍频的能力尤为瞩目。这种能力为实现全光学 计算、 开关和远距离通信提供了可能。传统的NLO材料如铌酸锂、钛酸钡、石英、硒化 镉和 磷酸氢钾极难生长成单晶，其价格每克高达2000美元。能实现倍频的二级NLO材 料由 于成本原因，其未来将为聚合物占有。三级NLO材料以三倍频、光学克尔效应、 光学 双稳态、相位共轭、光折射等效应用于光学开关、计算、动态数据存储、放大、 光束 导向和图象处理，但实用价值高的光学计算距离商品化至少需要20年。在无机晶 体当 中铌酸锂站在商品化的前列。其它大有希望的NLO材料有硼酸锂,磷酸钛钾(KTP) 和β硼酸钡.KTP已用于使Nd:YAG倍频产生532nm的绿光，以商品的形式用于外科手术 中。处 于研究阶段的有掺铈铌酸锶钡,二氧化硅铋和钛酸钡。GaAs也具有NLO性能,但激 活能低 ,很难制成有用的器件,故已把目光转向GaAs/GaAlAs和HgTe/CdTe超晶格。
一、材料的非线性极化
材料的非线性光学效应：
强光场或其它外加场的扰动 非线性极化引起材料光学性质的变化，
导致不同频率光波之间的能量耦合， 从而是入射光波的频率、振幅、偏振及传播方向发生改变。
材料由较弱光波电场E j引起的电极化强度Pi满足线性关系： Pi 0 ij E j