非线性光学材料的性能与改进

式中 χij为极化率，ε 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：
（ （2） Pi = ε 0 χ ij1） j (ϖ j ) + χ ijk E j (ϖ j ) Ek (ϖ k ) E （3） + χ ijkl E j (ϖ j ) Ek (ϖ k ) El (ϖ l ) + L
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1.064µ 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。
ω1、ω2和ω3的三束光 耦合作用： →
当出现第四种频率ω4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ω1 = ω2 = ω3 = ω时，ω4 = 3ω , 此效应称为三倍频效应， 由Pi(3ω ) 辐射出的光波称为三次谐波。
（3）
非线性光学材料内（χijkl )
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]。
二、主要的非线性光学材料
大功率全固化绿光激光器 冯宝华 吴星 何京良 王建明 肖莹 赵宗源 许祖彦 中国激光，Vol.23,No.9(1996) 摘要：最近，我们利用中国科学院物理所生长的Nd:YVO4，KTP晶体和福 建物构所生长的LBO晶体，采用角度相位匹 配的KTP腔内倍频和温度相位匹配的LBO腔内倍频，成功地研制了一台LD 泵浦的全固化大功率绿光激光器。
二、主要的非线性光学材料
KTP内腔倍频和 开关的同时运转 内腔倍频和Q开关的同时运转 内腔倍频和 霍玉晶 陈飞 何淑芳 沈德忠 马笑衍 陆泳 摘要 详细分析了KTP晶体的电光特性，报告了用KTP作内腔调制的二 极管泵浦Nd:YVO4激光的Q开关运转情况。此KTP晶体 同时起着电光Q开关和II型倍频器的双重作用，以获得脉冲绿光。 以通常完成倍频和调Q需使用两块晶体的结构比较 起来，我们的试验中只使用一块KTP晶体，故具有损耗小，效率 高的特点。用这种新型的掺杂KTP晶体，可长时间不 间断地获得强脉冲绿光，而看不出该晶体有任何电致色变的现象。 在这篇论文中，我们论证了这种比较新的、紧凑 的二极管纵向泵浦的短腔型内腔倍频调Q的Nd:YVO4激光器。
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0.35～4.5µ 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。
一、材料的非线性极化
ijk ω1和ω2的两束光 耦合作用： →
非线性光学材料内（χ
)
当ω1 =ω2 =ω，ω3 =ω1＋ω2 =2ω时，所产生的谐波称为倍频光； 当ω3 =ω1＋ω2时，所产生的谐波称为和频 统称为混频； 当ω3 =ω1－ω2时，所产生的谐波称为差频 当ω3 =ω1－ω2 =0时，产生直流电极化称为光整流。
三、非线性光学材料的改性
人们发现现成的材料满足不了多姿多彩的非线性光学现象和应用的 需求．于是人们更为迫切地探寻新的功能强大的非线性光学材料，尤其 是结构可以调控以满足不同实际需要的材料，大体可分为三类[9] ：
(1) 矿物氧化物和铁电单晶 这类材料都有良好的光学透过和机械坚硬
度．主要通过自然界中材料的筛选来满足不同实际需要．但是，这 类 材料往往难以批量生长出大单晶； (2)Ⅲ (2)Ⅲ—V族半导体材料 它们在“限制材料” (Confined-stuctures) 方面有很好的前景。 Ⅲ-V族半导体材料所谓的“带隙工程”技术是 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．然而，这类材料在实际应用中存在共振条件限 制，即激光运作波长通常在量子阱激子能级附近； (3)有机非线性光学材料 (3)有机非线性光学材料 在非线性光学材料探索的早期就有一系列有 机非线性光学材料发现，如m—硝基苯胺、香豆素、孔雀绿、尿素、 苦味酸等，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材料．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。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二、主要的非线性光学材料
内容简介： 内容简介： 多波长激光器是一种特殊激光光原，可同时输出不同波长的几种相干光，因 在光谱学、非线性光学、原子分子物理、医学研究、光通讯、污染检测及高精 密测量等科技领域有广泛应用而受到重视。自1973年首次实现Nd:YAG晶体双 波长激光器以来，如今多波长激光器已有十种，涉及气体、固体和液体多种类 型，但这些多波长激光器的综合性能有限：如输出波长少，功率低，调谐范围 不宽或使用不便等等。 本发明的多波长光参量激光器 是一种新型多波长激光源，其基本原理是发明 人的两个科学发现：(a)非线性晶体LBO(LiB3O5)的相位匹配折返现象；(b)此 现象存在的普遍性理论证明。主要内容是利用LBO晶体的相位匹配折返特性， 采用可快速响应的角度调谐方法，以宽频带高效率光参量放大特别设计光路、 高精度波长再现性精密机械设计和计算机技术开发成功多波长光参量激光器产 品。与已有的各种多波长激光器相比，在调谐范围、调谐速度、输出功率、输 出波长数，超短脉冲特性等主要技术性能方面具有明显的优势，尤其是可调谐 宽度有量级的提高，因此相应拓宽了多波长激光器的应用。目前多波长光参量 激光器产品已提供国内外，用于材料科学、非线性光学和光谱研究，均获成功 ，市场正在扩大中。
二、主要的非线性光学材料
•新型的非线性光学材料 中国茶 新型的非线性光学材料¾ 新型的非线性光学材料
(1996年院级鉴定成果) 完成者: 张洪钧，戴建华，王鹏业，吴令安 完成单位: 中科院物理所 内容简介: 我们发现中国茶等是一种非线性效应很强的克尔介质，它的非线性系数比二硫 化碳高六个量级。在这种新型克尔介质中,我们研究了光的自聚焦，自散焦，自 陷，自位相调制现象，即使对较弱的氦氖激光(5毫瓦)也可观察到上述非线性光 学效应。我们还发现在一定的浓度范围内，中国茶的非线性系数 n2 变化不大。 我们还用不同的溶剂(如 乙醇, 水等 )及类似茶的物质( 中药液，叶绿素溶液等 )进 行了一系列实验，发现它们均具有很强的非线性效应，也是具有高非线性系数 的克尔介质。至今仍有一些学者在对这类材料进行研究。 自1989年我们的文章发表后，在国际同行引起较大反响，公认中国茶是新型的 非线性光学材料。1993年在美国物理杂志上(AMERICAN JOURNAL of PHYSICS 61 , 937)的一篇文章中报导：中国茶因其具有非线性系数高，可在HeNe激光下工作，价廉等优点，很适用于在大学的非线性教学中作示范实验。认 为我们的研究结果提供了一种简单的实现自聚焦，光学双稳等非线性现象的途 径。
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。
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(χijk、χ 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1.06µ m激光实现二倍频、三倍频和四倍频。
式中ϖ j、ϖ k、ϖ 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
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
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
•多波长光参量激光器 多波长光参量激光器
类别：发明奖 等级：一等 (初评通过、待终评) 授奖单位：中国科学院 授奖时间：1997年 暑名完成者及工作单位 许祖彦1, 吴柏昌2, 刘 翔1, 陈创天2, 邓道群1, 张东香1, 张秀兰1, 冯宝华1, 孔羽飞1, 林树杰2, 朱湘安1, 徐瑶1, 蔡妙全1, 陶世平1, 张雨东2 1.中科院物理所, 2.中科院福建物构所
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。
三、非线性光学材料的改性
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。[5] 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 = ε 0 χ ij E j