非线性光学材料的.ppt

它要经受250℃的短时高温和具有100％左右的承 受加工和操作的长时间热稳定性 。
。
• 一般说来，二阶非线性光学材料的设计原则为： • 1)设计和选择基态偶极矩小，激发态偶极矩大的
分子，吸、供电基不要选择电负性相差悬殊的基 团； • 2)降低分子的中心对称性，引入手性原子； • 3)分子内引入氢键的基团使分子在氢键的作用下 定向、非中心对称排列； • 4)分子成盐，盐中分子间库仑力的作用要大于偶 极作用，阳离子分隔屏蔽了有极性的发色团之间 的作用。成盐提高二阶非线性光学系数，尤其适 用于极性大的分子； • 5)形成包结络合物。
。
• 二阶非线性光学高分子材料大致可分为三 类：
• (1)高分子与生色基小分子的主客复合物， • (2) 生色基功能化的高分子； • (3)LB膜的高分子化。
。
• 1．高分子—生色团低分子的宾主复合物
。
• 宾主型非线性光学材料大致可分为三种类 型：
• (1)透明的非晶高分子与二阶非线性光学有 机低分子的复合物.
• ④折射率光栅的形成过程。在此空间电荷场的作用 下，通过电光或双折射效应，在物质内形成折射率 在空间的调制变化。根据静电泊松方程就可以形成 一个正弦变化的折射率光栅，该光栅与初始光波相 比有θ 度的相移角。
。
• 光折变效应有两个显著特点：弱激光响应 和非局域响应。前者指其效应与激光强度 无明显相关性，用弱激光如毫瓦量级功率 的激光来照射光折变材料，只需足够长的 时间，也会产生明显的光致折射率变化。 一束弱光可以使电荷—个个地移动．从而逐 步建立起强电场。后者指通过光折变效应 建立折射率相位栅不仅在时间响应上显示 出惯性，而且在空间分布上其响应也是非 局域的，折射率改变的最大处并不对应光 辐照最强处。

• ④折射率光栅的形成过程。在此空间电荷场的作用 下，通过电光或双折射效应，在物质内形成折射率 在空间的调制变化。根据静电泊松方程就可以形成 一个正弦变化的折射率光栅，该光栅与初始光波相 比有θ度的相移角。
二阶非线性光学材料
• 光折变效应有两个显著特点：弱激光响应 和非局域响应。前者指其效应与激光强度 无明显相关性，用弱激光如毫瓦量级功率 的激光来照射光折变材料，只需足够长的 时间，也会产生明显的光致折射率变化。 一束弱光可以使电荷—个个地移动．从而逐 步建立起强电场。后者指通过光折变效应 建立折射率相位栅不仅在时间响应上显示 出惯性，而且在空间分布上其响应也是非 局域的，折射率改变的最大处并不对应光 辐照最强处。
二阶非线性光学材料
• 二阶非线性光学高分子材料大致可分为三 类：
• (1)高分子与生色基小分子的主客复合物， • (2) 生色基功能化的高分子； • (3)LB膜的高分子化。
二阶非线性光学材料
• 1．高分子—生色团低分子的宾主复合物
二阶非线性光学材料
• 宾主型非线性光学材料大致可分为三种类 型：
二阶非线性光学材料
• 由于这种材料的非线性源于生色团的偶极 在电场作用下的极化取向，因此被称之为 “极化聚合物”
二阶非线性光学材料
• 聚合物的极化方法有许多。常用的方法有 • 平板电场极化， • 电晕放电极化、 • 全光极化 • 光诱导极化。
二阶非线性光学材料
二阶非线性光学材料
• 极化聚合物的研究始终围绕3个方面的问题 来进行，即对材料非线性的来源与其物理 过程的了解、材料的潜在应用和开发新的 高性能体系。
二阶非线性光学材料
• 典型的二阶非线性光学生色团分子有
二阶非线性光学材料
二阶非线性光学材料

光折象是介质的参量与光强有关的现象
对于各向同性介质，可将矢量式改写为标量形式
P 0 (1) E 0 (2) EE 0 (3) EEE
0 ( (1) (2) E (3) E 2 )E 0(E)E
讲课为主讲课为主每次每次学时学时每个学生需各自针对目前非线性光学的一个前沿性问题进行资料每个学生需各自针对目前非线性光学的一个前沿性问题进行资料收集整理写出不低于收集整理写出不低于50005000字的书面报告要求至少阅读字的书面报告要求至少阅读1515篇文献篇文献再完成该综述论文所选主要参考文献应能代表该领域的前沿技术和再完成该综述论文所选主要参考文献应能代表该领域的前沿技术和发展趋势其中发展趋势其中20122012年以后的文献不少于年以后的文献不少于1010量子信息技术量子信息技术量子计算量子通信量子密匙量子计算量子通信量子密匙光子晶体光纤光子晶体光纤有机分子的光学非线性有机分子的光学非线性纳米材料中的非线性纳米材料中的非线性光速的调控技术光速的调控技术超短脉冲产生技术超短脉冲产生技术光网络中的非线性光网络中的非线性半导体材料及器件中的非线性半导体材料及器件中的非线性高功率下光纤中的非线性及抑制高功率下光纤中的非线性及抑制34主要参考书
23
由激光与物质的非线性相互作用产生的压缩态效应，由于其 量子起伏的降低，在通信系统中有应用的潜力，在受到人们 的关注。
寻求新的非线性材料一直贯穿于非线性光学的发展。除了寻 求新的非线性效应外，寻求非线性极化率更大、光学稳定性 更好的材料是非线性光学工作者一直关注的方向。
24
1.3.2 非线性光学研究的发展趋势
Nonlinear Optics 非线性光学
2019/11/23
1
第1章 绪 论

sech
x
1 cosh x
ex
2 ex
带h称为双曲函数
双曲正切，双曲正割
A1 ( z )
A1
(0)
s
ec
h
z Ls
A2 (z)
A1
(0)
tanh
z Ls
其中
Ls
cn deff A1(0)
Ls 称为相位匹配下二次谐 波产生的有效倍频长度
当z=Ls 时， tanh(1)= 0.762 sech(1)= 0.648
第三章 光学倍频、混频与参量转换
典型的非线性现象
1、光学倍频
二阶非线性 光学现象
介质不具有对称中 心的各向异性介质
2、光学和频、差频（三波混频）
3、光学参量振荡和放大 …
1、三次谐波
三阶非线性 光学现象
对介质对称无要求
2、四波混频 3、双光子吸收 4、光学自聚焦 5、受激散射 …
这些效应是产生光学变频的较成熟的手段之一，它为人们提供了一 种研究物态结构、分子跃迁驰豫和凝聚态物理构成的新的有效手段。
2
1
1，2为基波和谐波真空中的波长
n2 (2 ) n1(1)
只有满足上述条件，倍频最佳，但由于通 常n2(2)≠n1(1),所以只有采取特殊方法才 能做到。
3.1.2 光学二次谐波的基本理论
对于沿z方向传播的三波混频的耦合波方程
A3 z
i3D 2cn(3 )
(2) (3;1,2 ) :
A A ei(k3 k1k2 ) z
（注意是谐波之间同相位，不是谐波和基波同相位）
L
晶体
dz
z
O
在位置z处，在dz薄层介质内的振幅

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
非线性光学晶体材料优秀课件
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
非线性光学晶体材料优秀课件
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

第八章 现代光学 ( Modern Optics) 8. 8 非线性光学 (Non-linear Optics)*
本节属于打“*”内容，仅提供图片供自行 开发电子教案用，下同。
第八章 现代光学 ( Modern Optics) 8. 8 非线性光学 (Non-linear Optics)*
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光参量放大器： 利用非线性光 学效应，通过 控制输入光的 参量如振幅、 相位、偏振态 等实现光信号
的放大。
光参量振荡器： 利用非线性晶 体产生特定波 长的激光输出， 具有频率稳定、 波长可调谐等
优点。低频率的光输
出。
非线性光学应用
光通信领域应用
添加副标题
非线性光学课件
汇报人：
目录
PART One
添加目录标题
PART Three
非线性光学原理
PART Two
非线性光学概述
PART Four
非线性光学材料
PART Five
非线性光学器件
PART Six
非线性光学应用
单击添加章节标题
非线性光学概述
定义与性质
非线性光学的定 义
非线性光学的性 质
光孤子通信
光纤放大器
光纤激光器
光纤传感技术
生物医学领域应用
光学显微镜：利用非线性光学效应提高显微镜的成像质量，能够观察更细 微的结构。
光镊技术：通过非线性光学效应产生的光场束缚和操控细胞、病毒等生物 微粒，为生物医学研究提供新的工具。
光学成像：利用非线性光学成像技术可以对生物组织进行高分辨率、高对 比度的成像，提高医学诊断的准确性和效率。
非线性折射率
定义：非线性折射 率是指材料在强光 作用下折射率随光 强的变化而变化的 现象
产生原因：与材 料中的微观结构 和分子排列有关
表现形式：在强光 作用下，材料折射 率会发生变化，导 致光的传播方向发 生改变
应用领域：在光 学通信、光学成 像等领域有着广 泛的应用前景
非线性吸收系数
定义：非线性吸收系数是描述物质在强光作用下非线性吸收特性的参数 影响因素：包括光强、光束宽度、物质浓度等 计算方法：通过实验测量或理论计算得到 应用领域：在光学通信、光学传感等领域有着广泛的应用

cos[2(2t

k2 z)]
0 (2)1020 cos[(1 2 )t (k1 k2 )z] 0 (2)1020 cos[(1 2 )t (k1 k2 )z]
例: 和频
极化波
电磁波
频率 传输常数
3 1 2
k1

k2

n(1 )
(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.
晶体非线性光学效应结构与性能 相互关系的研究方法
键参数法：
晶体的宏观倍频系数是晶体中每种化学键所产生的微观倍 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。
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，入射光的电场强度比介质中原子
内的场强小得多。

P 0E E
非线性光学
强光入射介质时
P E E 2 E3
倍频和混频
当激光与非线性介质作用，入射光通过介质后， 其输出频率较入射频率有所变化，会出现倍频光、 和频光与差频光。

非线性光学
ppt课件
1
内容提要
线性与非线性光学 非线性光学的发展史 本课程的主要内容与大纲 本课程的教学安排 参考书
ppt课件
2
线性光学与非线性光学
激光问世之前，光学研究的基本前提是：
介质的极化强度与光波的电场强度成正比；
P＝cE
光束在介质中传播时，介质光学性质的极化率 /折射率是与光强无关的常量；
上世纪60年代初及中期，在上述非线性现象发现的同时 以Bloembergen及他的学生为主
基本建立了以介质极化和耦合方程为基础的非线性光学理论
ppt课件
15
非线性光学的发展历史
布隆姆贝根是非线性光学理论的奠基人。 他提出了一个能够描述液体、半导体和金 属等物质的许多非线性光学现象的一般理 论框架。他和他的学派在以下三个方面为 非线性光学奠定了理论基础：
滤光片
红宝石
694.3nm
石英晶体 347.15nm 底片
非线性光学这个新学科的出现！ppt课件源自8非线性光学的发展历史
非线性光学的发展大致经历了三个不同的时期
1961～1965年：非线性光学效应大量而迅速地出现：
光学谐波、光学和频与差频、光学参量放大与振荡、多光子吸 收、光束自聚焦以及受激光散射等。
I out 光学双稳态
ppt课件
21
非线性光学的发展历史
70年代中期发现利用四波混频可以实现相 位共轭，这是非线性光学中一个重要的发 现。
70年代初，光学克尔效应得到实验验证。
1976年，观察到由于折射率随光强变化产生的光学 双稳态效应，从而开始了无论在物理上还是在应用 上都是十分重要的非线性光学研究的一个分支：光 学双稳态的研究。
ppt课件

相长干涉。
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目前倍频技术主要采用折射率匹配或角度匹配的方法 来使得基频光和倍频光在介质中以相同的速度传播。
n c ,得到位相匹配另一种表达式 v
c n2
c n
n2 n
说明只要基频光与倍频光折射率相同就实现了
位相匹配。
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对通常的光学介质n2 n ,所以利用非线性晶体
Px xxx Ex Ex yyy Ey Ey zzz Ez Ez 2 xyz Ez Ey 2xzx Ez Ex xyx Ey Ex
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ijk是一组数集合，有27个分量，
独立分量18个，属于三阶张量。 dil 二次非线性光学系数。
dil和ijk关系为： ixx , iyy , izz di1, di2 , di3; iyz izy di4; izx ixz di5; ixy iyx di6;i 1, 2, 3
设入射光波E E0 cost, E0光波场振幅， 光波电场角频率，则有
P (1) E (2) E 2 (1) E0 cost (2) E02 cos2 t
E (1) 0
cos t
1 2
E (2) 2 0
cos
2t
1 2
E (2) 2 0
频率基波分量 频率2二次谐波分量 直流分量
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入射光的方向使得ne2 (m ) 1.4948,m就为相位匹配角。
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折射率椭球找相位匹配角
ne2和no两椭圆截线交与P点， P点处符合相位匹配条件，
ne2 no ,OP与Z轴的夹角m
就是相位匹配角。
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最佳相位匹配角
非线性晶体折射率随温度而变，m

• 有机非线性光学材料具有无机材料所无法比拟 的优点：
• (1)有机化合物非线性光学系数要比无机材料高 1—2个数量级；
• (2)响应时间快；
• (3)光学损伤阀值高；
• (4)可以根据要求进行分子设计。
• 但也有不足之处：如热稳定性低、可加工性不 好，这是有机NLO材料实际应用的主要障碍。
• 典型的有机二阶非线性光学材料包括：
• 非线性光学材料的实用化应具备以下几个 条件；
• ①非线性极化率较大，转换率高； • ②光损伤阈值高； • ③光学透明而且均一的大尺寸晶体； • ④在激光波段吸收较小， • ⑤易产生位相匹配， • ⑥化学及热稳定性较好，不易吸潮 • ⑦制备工艺简单，价格使宜。
• 高分子非线性光学材料的特点概括为以下几 点：
非线性光学材料的分类
• 氧化物和铁电晶体(如铌酸锂、磷酸二氢钾 和偏硼酸钡等)、
• Ⅲ--Ⅳ族半导体(如砷化镓等) • 有机聚合物材料。
• 有机非线性光学材料
• 有机晶体在合成和生长方面的特性使这类 材料最有机会成为可分子设计的光电功能 料．而且，有机材料在快速非线性光学响 应、大尺寸单晶生长 三次谐波产生等方面 都极富吸引力．
非线性光学及其现象
• 物质在强光如激光束的照射下，其光学性 质发生了变化．而这种变化又反过来影响 了光束的性质。研究这种光与物质的相互 作用就是非线性光学的内容。
• 非线性光学效应来源于分子与材料的非线 性极化。
• 在电磁场作用下物质中的电荷位移能力称 为电极化率。当较弱的光电场作用于介质 时，介质的极化强度P与光电场E 成线性关 系：
的激光来照射光折变材料，只需足够长的
时间，也会产生明显的光致折射率变化。 一束弱光可以使电荷—个个地移动．从而 逐步建立起强电场。后者指通过光折变效

①气体材料。 ②液体材料 。 ③玻璃材料。 ④半导体材料。 ⑤有机聚合物材料。
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有机和聚合物非线性光学材料
有机和聚合物作为非线性光学材料具有许多无机材料无法比拟的优点： ①有机和聚合物非线性光学系数要比已经得到使
用的无机晶体高一至两个量级。 ②响应时间短。 ③有机化合物的光学损伤阀值较高。 ④可根据非线性效应的要求来进行分子设计。 ⑤具有优异的可加工型，易于成材，而且可以晶
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三阶非线性材料前景
三阶非线性光学材料是处于开发研究中的材料，分子工程和分子设计为人们提 供了优化有机和生物分子材料性能良好手段，探索高非线性极化率，超快响应、低 损耗的三阶非线性光学材料的工作正在展开，有机聚合物和半导体材料已能做到灵 敏和快速响应，是较有使用前景的三阶非线性光学材料。
第3页/共18页
第4页/共18页
非线性光学光波导材料
第5页/共18页
非线性晶体光通行材料
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选材依据
①有较大的非线性极化率。 ②有合适的透明程度及足够的光学均匀性。 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。
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分类
二阶非线性光学材料 ：大多数是不具有中心对
称性的晶体。常用于光学倍频、混频和光学参量 振荡等效应的晶体材料有两大类。
三阶非线性光学材料：指那些在强激光作用下
产生三阶非线性极化响应，具有强的光波间非线 性耦合的材料。范围很广，由于不受是否具有中 心对称这一条件的限制，这些材料可以是气体、 原 子 蒸 气 、 液 体 、第液8页晶/共1、8页等 离 子 体 以 及 各 类 晶 体 、

✓ 塑料光纤
纤芯和包层都用塑料（聚合物）做成，纤芯直径为1000μm，比单模石 英光纤大100倍，接续简单，易于弯曲，施工容易。
✓ 多组分玻璃光纤
多组分玻璃的成分是以重量占百分之几十的SiO2为主，还包含有碱金属、 碱土金属、铝、硼的氧化物的总称。其特点是：折射率一般比石英玻璃 高，n=1.49~1.54，可以用来制作大数值孔径（NA＝0.2~0.6）的光 纤。熔融温度比石英系玻璃低一些，在1400摄氏度以下；抗压抗拉强 度低于石英玻璃。
chromaticchromaticpmdpmdmodalmodal76对于多模光纤而言偏振模色散没有什么意义这种情况下的脉冲展宽变为dispersionmodalchromatic单模光纤中不存在模式色散而不是偏振模色散这时方程变为dispersionchromaticpolarizationmodeoutputinputdispersion单模光纤的色散单模光纤的色散零色散零色散波长波长零色散零色散波长波长17psnmk17psnmkm1550nmm1550nm17psnmk17psnmkm1550nmm1550nm78dispersionstandarddispersionstandardsinglesinglemodefibermodefiberdd正常色散区正常色散区光脉冲的较高的频率分量光脉冲的较高的频率分量兰移比较低的频率分兰移比较低的频率分量红移传输得慢量红移传输得慢dd反常色散区反常色散区光脉冲的较高的频率分量光脉冲的较高的频率分量兰移比较低的频率分兰移比较低的频率分量红移传输得快量红移传输得快零色散零色散波长波长dd走离效应走离效应色散的一个重要特性是由于群速度失配不同波长下的脉冲在光纤色散的一个重要特性是由于群速度失配不同波长下的脉冲在光纤内以不同的速度传输这一特性导致了内以不同的速度传输这一特性导致了走离效应走离效应它在涉及到两个或它在涉及到两个或更多个交迭脉冲的非线性现象的描述中起了重要的作用更多个交迭脉冲的非线性现象的描述中起了重要的作用xpmxpm作用

一般只产生在有对称晶格的各向异性介质中
PPT课件
7
材料的三阶非线性
1、2和3的三束光 非线性光学材料内（ ijkl ) 耦合作用：
当出现第四种频率4的极化波，
进而辐射出4 1 2 3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，
1.51
0.51
3.4
注：除带#为587.6nm波长外，其余均为1.06μm波长。
PPT课件
15
表3 几种高折射率商用玻璃的光学性能
玻璃
化学组成mol(％)
Λ (μm)
no
γ
(3)
(10-20m2W-1) (10-14esu)
Schott
SF-56（氟化硫）
1.06 1.75 26
5.1
Corning
PPT课件
8
光致折射率变化效应：
入射光
折射光 强入射光
折射光
原子核
原子核
核外电子层
光子×2
导带
中间能级
畸变的核外电 子层
γ
禁带
β
双PPT光课件子吸收过程
9
三阶非线性的应用与材料
PPT课件
10
一、研究背景
信息存储 三次谐波产生
波长 转换器
三阶 非线性光学
超连续光谱 产生
光限幅器
全光 网络开关
激光频率调谐
17.9Al(PO3) 3 ,54.2NaF , 26.9Ca2 ,1.0NdF3
74SiO2 ,10B2O3,9.5Na2O,5.5K2O
no 1.28 1.34#
(3) (10-14esu)
0.078