非线性光学论文
非线性光学综述：
现代光学的一个分支，研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。激光问世之前，基本上是研究弱光束在介质中的传播，确定介质光学性质的折射率或极化率是与光强无关的常量，介质的极化强度正比于光波的电场强度E，光波叠加时遵守线性叠加原理（见光的独立传播原理）。在上述条件下研究光学问题称为线性光学。对很强的激光，例如当光波的电场强度可与原子内部的库仑场相比拟时，光与介质的相互作用将产生非线性效应，反映介质性质的物理量（如极化强度等）不仅与场强E的一次方有关，而且还决定于E的更高幂次项，从而导致线性光学中不明显的许多新现象。
发展过程历史：
非线性光学的早期工作可以追溯到1906年泡克耳斯效应的发现和1929年克尔效应的现像。但是非线性光学发展成为今天这样一门重要学科，应该说是从激光出现后才开始的。激光的出现为人们提供了强度高和相干性好的光束。而这样的光束正是发现各种非线性光学效应所必需的(一般来说，功率密度要大于1010W/cm2（但对不同介质和不同效应有着巨大差异）。
1958年，Schawlow和Townes指出激光可以在红外和可见光频段实现在这篇文章发表之后，很多实验室立即开始竞争，去实现这一理想．1960年5月，Maiman首先发现了红宝石激光器激光的发明，引导出很多新的学科，对我们今天的科学技术以及日常生活都产生了重大影响．其中最重要的学科之一就是非线性光学，它对半个世纪以来科技的发展起了十分重要的作用．激光的光场或电场可以很强．早年，微波和射频方面的研究已经证明，当电场很大的时候，会产生非线性现象．这是因为电场与物质相互作用时，如果电场很小，表达式中的非线性项可以忽略，产生的偶极子实际上与电场成正比（即线性效应），而当电场很大时，非线性项不能再被忽略，因而可以产生二次倍频、混频等现象，这在微波和射频的实验中得到证实．我们可以预测，当光电场达到近１ｋＶ／ｃｍ时，在光波波段也会产生类似的非线性现象。
红宝石激光器出现后，人们立即想到非线性光学现象可能被观察到．1961年，Franken等用红宝石激光照射石英晶体，然后用棱镜光谱仪去分析透射的光．发现在光谱上除了基频信号外，还有一个很弱的二倍频的斑点，首次证实了二倍频的产生。
如果有了很强的光场，很容易看到非线性光学现象．在提高脉冲激光的峰值光场或强度方面，早年发展了一个所谓的调Ｑ激光技术其原理是，当激光被泵浦时，把激光的共振腔关掉
，让泵浦源持续不断地把能量注入并存储在激光介质中，然后在短时间内把共振腔打开，使储存在介质里的能量转换成光能，出现在一个很短的激光脉冲里，这叫巨脉冲，也叫调Ｑ脉冲激光．巨脉冲的光场就非常强．因此，一些简单的非线性光学现象都很容易被看到，例如二次谐波、和频等．当频率为ω１，ω２的光同时进入一介质时，会在介质中产出（ω１＋ω２）频率的极化偶极矩，它的辐射就是和频的输出．如果要转换效率高，光的输入和输出一定要满足光的动量守恒，也就是我们说的相位匹配条件。
自从1961年，P.A.弗兰肯等人首次发现光学二次谐波以来，非线性光学的发展大致经历了三个不同的时期。第一个时期是1961～1965年。这个时期的特点是新的非线性光学效应大
量而迅速地出现。诸如光学谐波、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等都是这个时期发现的。第二个时期是1965～1969年。这个时期一方面还在继续发现一些新的非线性光学效应，例如非线性光谱方面的效应、各种瞬态相干效应、光致击穿等等；另一方面则主要致力于对已发现的效应进行更深入的了解，以及发展各种非线性光学器件。第三个时期是70年代至今。这个时期是非线性光学日趋成熟的时期。其特点是：由以固体非线性效应为主的研究扩展到包括气体、原子蒸气、液体、固体以至液晶的非线性效应的研究；由二阶非线性效应为主的研究发展到三阶、五阶以至更高阶效应的研究；由一般非线性效应发展到共振非线性效应的研究；就时间范畴而言，则由纳秒进入皮秒领域。这些特点都是和激光调谐技术以及超短脉冲激光技术的发展密切相关的。
基本理论：
介质极化率P与场强E的关系可写成
非线性效应是E的一次方项，以及比其更高次方的项共同起作用所产生的结果。
光与物质的线性相互作用过去的光学理论认为，介质的极化强度与入射光波的场强成正比。于是，表征物质光学性质的许多参数，如折射率、吸收系数等都是与光强无关的常量。普遍的光学实验证实，单一频率的光通过透明介质后频率不会发生任何变化，不同频率的光之间不会发生相互耦合作用。激光出现后的短短的几年内，人们观察到许多用过去的光学理论无法解释的新效应。为了解释这些新效应，产生了非线性光学理论。激光是极强的相干光,高度比普遍光高几十亿倍,场强高次方项对介质极化的影响不能忽略。由麦克斯韦方程可导出包括光波场强高次方项作用在内的非线性波动方程组。这样，大部分新的光学现象都可以得到满意的解释。
已观察到的非线性光学效应主要有光二倍频、和频、差频、光参量振荡（放大）、高次倍频、自聚焦、自透明等。
和频频率为v1和v2的两束光（其中至少有一束是激光）同时入射到某些介质中时,产生频率为v=v1+v2的光束。
差频频率为v1和v2(v1＞v2)的两束光(其中至少有一束是激光) 同时入射到某些介质中时，产生频率为v3＝v1－v2的光束。
高次倍频频率为v的激光入射到某些介质中时，产生频率为3v的激光。这种现象称为三倍频,或称为三次谐波发生。类似的还有四倍频、五倍频等。
自聚焦在强激光作用下，介质的折射率不再是一个常量，而与光强有关。这可能使平行的激光束射入介质后会聚成一束细丝，且以这种细丝状在介质中继续传播。
自透明在强激光作用下介质的吸收系数减小，即对某些频率的弱光辐射是不透明的介质，对同样频率的强激光则变成透明的。
目前发展状态：
超快光谱术通常采用的是脉冲激光泵／测的手段，光源一般用的是皮秒或飞秒的脉冲激光．首先在零时刻，泵浦的激光脉冲激发了物质，然后探测的脉冲激光，在不同时间，像照相一样可以去探讨物质被激发后的弛豫动态，用可见飞秒激光脉冲光激发一个晶体，然后用短脉冲Ｘ光去探测，就可以看到来自被激发晶体的衍射．当晶体吸
收的泵光能量开始使晶体熔解时，它的衍射强度就开始下降，这就告诉你晶体熔解的过程及时间。
相干非线性光学也是一个比较前沿的领域．相干性来自光波的相位，激光有很清楚的相位，因此相干性强．在某些非线性光激发物质的过程中有显著的影响．这类利用控制相位来控制最终结果的问题，一般称为相干调控．人们希望能由相干调控来调控物理或化学过程，譬如增加某一化学反应的效率，提高化合物生产等。
电磁感应透明是目前非线性光学里的一个热门课题．它的原理其实和当年Fano在原子物理中提出的所谓Fano共振是相似的．Fano共振出现在当一个宽带强跃迁与一个狭带弱跃迁重叠时，它们之间会产生相位干涉，在适当情况下，弱跃迁频率附近的吸收会变得很小。用光去探测得到的吸收光谱，也与Fano共振的光谱相似．因为这里强跃迁与弱跃迁的相位相反，所以弱跃迁该吸收处，反而变得几乎
透明，这就是强光诱导出的电磁感应透明。
激光腔内锁模能让一个光脉冲在腔内放大，而每来回一次，就释放出一部分能量，因此形成一连串周期输出的短脉冲．用掺钛蓝宝石激光锁模，可以得到连续的、间隔约１０－８ｓ、脉宽仅～５×１０－１５ｓ的短脉冲，这些脉冲之间都有相干性，并且载波与包络之间的相位也几乎完全固定，如图２２所示．连续短脉冲的光谱来自它们的傅里叶变换，是由一列几百万条极狭窄的谱线组成，线宽可以近１Ｈｚ，邻近两线的间隔约为１００ＭＨｚ，谱的覆盖宽度达～５×１０１４Ｈｚ（～２００００ｃｍ－１或～２．５ｅＶ），还可以经由介质中混频过程增宽，这样一个光源称为光梳．在原子、分子光谱精密测量上，开创了前所未有的新领域，为基础物理的探讨提供了崭新的手段。
强非线性光学效应指的是当光与物质间的作用不能再用微扰理论来描述，这相当于其他物理领域里的强耦合的情形，都是物理中最难的问题．可是在非线性光学里，有很多强耦合问题．例如，红外多光子激发和分子分解，一个分子可以吸收几十个到上百个红外光子，然后分解，以及多光子电离等，都可以用相当简单的物理图像来把它们讲清楚。
现在世界上不少发达国家都在建自由电子激光或者高能激光器，主要是希望能够得到高能量飞秒Ｘ射线脉冲或极高能量激光脉冲．斯坦福的Linac Coherent LightSource（LCLS）已能输出波长0.15-1.5nm，脉宽
80fs，能量2mJ/pulse的脉冲硬Ｘ射线．在美国利弗莫尔的National Ignition Facility是目前世界上最大的激光装置，它产生192条20ns 宽的激光脉冲，同时聚在一个目标上，可以达到1-2mJ/pulse．现在已经开始运转，一天打一次，在2016年的时候期望可以一天打700次．大能量的脉冲激光，主要是希望用它来实现惯性核聚变．其实这样的激光打在物质上，新的物理现象会出现．现在有个新的研究领域叫高能密度物理．如果能用内爆方式来把物质压缩到很高密度状态，其原子间的距离接近或小于原子核的德布罗意波长或玻尔半径，那么所有我们现在了解的关于原子与原子间的相互作用行为如化学键等都不再成立，需要建立新的理论和图像去描述．这个新的科研领域就是高能密度物理，是一个全新的极有意义和相当令人振奋的基础科研领域。
待开发领域：
现在有了Ｘ光激光，在Ｘ光频段的非线性光学也将成为一个新领域。
冷原子和分子中的非线性光学现象是一个能发展的领域．发展新的激光光学技术是很重要的．用激光来探讨光与物质的相互作用，相位有一定的重要性，测量相位可以得到更多信息．用非线性光学手段去表征新型材料可以帮助了解这些材料。
光梳是一个非常优质的光源，但是现在的应用还局限在原子、分子光谱上，考虑如何把光梳应用到凝聚态物理上，是对我们的一个挑战。
此外，不寻常的非线性光学效应，例如非线性磁光效应应用到自旋电子学、激光操纵物质（如相干控制、激光致相变）等，也都是很有意思的问题．看来非线性光学的发展前景仍是很美好的。
应用：
(1)利用倍频和混频效应、可调谐光参量振荡以及受激散射等效应可产生强相干光辐射,开创了产生新的激光辐射光源的物理途径.它在许多实际工程技术中得到了较成熟的应用,人们正在利用这种途径来填补各类激光器件发射激光波长的空白光谱区.例如：
①在光通讯技术中的应用.由于激光技术的出现,通过非线性光学效应获得的相干光的频带极其宽广,使其在通讯技术中由原来的微波电缆同时传送几十万路,到现在利用激光通讯的光缆可同时传送数百万路电话或几千万套电视节目,解决了无线电通讯的容量小、频带过分拥挤的难题.
②频率上转换效应在红外外差式探测器上的应用.红外接收是不可见的低频信号和另一束可见的强激光通过在晶体中混频,使红外信号频率上转到可见光频率,再经过光放大等过程实现了对红外信号的观察和探测.目前用此效应的红外探测器已得到普遍的应用。
(2)非线性光学的研究成果为光信息处理提供了新的方法和新的技术.例如：
一些染料在高功率激光束通过时发生自感透明效应已被用来设计时间很短的“光开关”.使用这种Q开关的激光器的输出功率可提高2—3个数量级.又如,光学双稳态效应的激光感应折射率变化用于信息存贮以及制成双稳态元件(双稳态光学开关、光学“三极管”放大元件、光学记亿元件等)；光学相位共扼效应用于波面畸变补偿等等.目前有些成果已得到实际应用.对非线性光学的深入研究,为集成光学、纤维光学、光学逻辑回路与光学计算机技术的发展提供了有关光信息处理与控制的新方法和新技术。
一.非线性基本概念 线性极化率的基本概念: 一、电场的复数表示法： E(r,t)=1/2E(r,ω)exp(-iωt)+c.c. (1) E(r,t)=Re{E(r,ω)exp(-iωt)} (2) E(r,t)=1/2E(r,ω)exp(-iωt) (3) 以上三者物理含义是一致的，其严格数学表示是（1）式。（注意是数学表达式，所以这种表示法主要还是为了运算的方便，具体那些系数、共轭神马的物理意义是其次的，不用太纠结。）称为复振幅，代表频率为的简谐振动，的频率仅是数学描述，物理上不存在。1/2是归一化系数。 对于线性算符，可采用（3）式进行简化计算，然后加c.c.或Re{ }即可 对非线性算符，必须采用（1）式的数学形式计算 二、因果性原理：某时刻的电场只能引起在此时刻以后介质的响应，而对此时刻以前的介质响应没有贡献。也可以这样说，当光在介质中传播时，t时刻介质所感应的极化强度P(t)不仅与t时刻的光电场有关，也与此前的光电场有关。（先有电场E，后有极化P） 与此相关的是时间不变性原理：在某时刻介质对外电场的响应只与此前所加电场的时间差有关，而与所取的时间原点无关。 于是，极化强度表达的思路即是先找到时刻t之前附近的一段微小时间t-τ=dτ内电场的作用，再对从电场产生开始以来的时间进行积分，求得总的效应。 τ时刻电场，影响其后的极化： t时刻的极化，来自其前面时刻的电场贡献：
或t时刻的极化，来自前面时刻的电场贡献： 三、线性极化率：其中 四、介电常数（各向同性介质）： 五、色散：由于因果性原理，导致必然是频率的函数，即介质的折射率和损耗都随光波长变化，称为色散现象。正常色散：折射率随波长增加而减小。 六、KK关系: 以上两式为著名的KK色散关系，由K-K关系课件，只要知道极化率的实部和虚部中任何一个与频率的函数关系（光谱特性）就可通过此关系求出另外一个。 线性极化率张量同样满足真实性条件：,所以， 这两式是线性极化率的KK关系。 七、极化率的一维谐振子经典模型:没希望考了。 非线性极化率的基本概念: 一、非线性极化强度：即与电场强度成二次、三次等幂次方关系的电极化强度。下图是课件里的标准写法
非线性光学晶体的研究现状 摘要 本文论述了近几年的非线性光学晶体的研究现状，重点介绍了非线性光学晶体中的两大类：无机非线性晶体和有机非线性晶体的研究现状。 关键字：非线性光学晶体；无机；有机；现状； 1.引言 1961年, Franken首次发现了水晶激光倍频现象。这一现象的发现,不仅标志着非线性光学的诞生, 而且强有力地促进了非线性光学晶体材料的迅速发展。 随着非线性光学的深入研究和新型材料的不断发展, 使得非线性光学晶体材料在信息通讯、激光二极管、图像处理、光信号处理及光计算等众多领域都具有极为重要的作用和巨大的潜在应用,这些研究与应用对非线性光学晶体又提出了更多更高的物理化学性能要求, 同时许多应用也还在层出不穷地发展中,正是由于非线性光学晶体有着如此广阔的应用前景以及这些应用可能带来的光电子技术领域的重大突破,所以寻找与合成性能优异的新型非线性光学晶体一直是一个非常重要的课题,成为该领域人们关注的热点之一。 2.无机非线性光学晶体 无机非线性光学晶体是人们研究得较早的非线性光学材料, 大致可分为:(1)无机盐类晶体,包括硼酸盐、磷酸盐、碘酸盐、铌酸盐、钛酸盐等盐类晶体;(2)半导体型非线性光学晶体, 如Te、Se、GaAs、ZnSe、CdGeAs2 和CdGe(As1-xP)2等。随着激光科学与技术的不断发展,在频率转换方面,无机非线性光学晶体材料起着越来越重要的作用,下面我简单介绍几种。 (1)Cr : KTP晶体 晶体磷酸钦氧钾(KITOPO4,KTP )是一种具有优良性能的非线性光学晶体,具有非线性光学系数大, 透光波段宽,化学性能稳定,耐高温等特性.现已广泛地被用于激光频率转换领域.近些年来,随着光电子技术的发展,人们对掺杂KTP型晶体进行了多方面的研究,已形成了一系列KTP晶体家族.掺入有价值的稀土离子并使其符合发光要求,可获得激光自倍频晶体.1990年,LinJT首次简单地报道了Cr: KTP晶体实现激光自倍频运转情况. Cr : K T P 晶体的荧光发射波段为8 00-8 50n m, 可望在自倍频后转换成波长为400-425nm的蓝色激光输出.但Cr: K T P晶体对蓝光有较强的吸收, 可采用晶体的定向生长方法来加以弥补.波长800-850nm 的基频光, 远小于KTP晶体的n类位相匹配的截止波长(1000nm左右), 因此, 当Cr :KTP晶体自倍频时, 只能使用I类位相匹配,而I类相匹配的有效非线性光学数相当小.但随着对KTP晶体应用研究的深入,特别是它在光波导领域中的应用,人们已成功地研制出多种新的位相匹配技术,如准位相匹配技术,实现了高效率I类倍频转换,输出波长范围为380-480nm,效率已超过50 % /w·cm2, 这些新的应用技术的发明,为进一步研究Cr:KTP晶体的激光自倍频效应展示出广阔的应用前景。 （2）AgGaS2 和AgGaSe2 晶体 AgGaS2 属于黄铜矿结构的晶体,点群42m。其透过范围从0.53 ～12μm。尽管它是以上提到的所有红外晶体中非线性光学参数最小的,但由于它达到550 nm的超短波透明性, 可用在Nd:YAG激光器泵浦的OPO中以及使用二氧化碳、Ti:蓝宝石、Nd:YAG与IR 染料,波长范围3-12μm的激光器的各种不同混频试验中。它还应用于直接对抗红外系统和CO2激光器的SHG。 AgGaSe2 也属于黄铜矿结构。具有0.73 ～18μm的透过波段范围。它的有效传输范围是0.9 ～16 μm,当使用各种现行常用的激光器泵浦时,其相位匹配范围大的特点使其应用到OPO中具有很大潜力;当使用波长2.05μm的Ho:YLF激光器泵浦时, 波长在 2.5 ～
1 说出电极化率的 4 种对易对称性，并说明满足的条件 本征对易对称性（不需要任何条件）、完全对易对称性（介质无耗）、时间反演对称性（介质无耗）、空间对称性χ （1）是对称张量（介质无耗）； 2 说出下式的物理意义： 表示由频率为ωm ，场振动方向为x 方向的场分量E x (ωm )，频率为ωn 、场振动方向为y 方向的场分量E y (ωn )以及频率为ωl ，场振动方向为z 方向的场分量E z (ω1 )三者间的非线性相互作用所引起的在x 方向上的三阶非线性电极化强度的一个分量。 3 对于二次谐波和三次谐波，相干长度的物理意义参量过程中的位相匹配有和物理意义 举例说明两种实现位相匹配的方法 1）Lc 物理意义: 三次谐波强度第一次达到其最大值的路程长度，典型值为1～100mm.如?K=0，Lc 为无穷大。 2) 位相匹配的物理意义：在位相匹配条件下，二次谐波和三次谐波等非线性效应产生过程效率会大到最高，相应的位相不匹配条件下，产生效率会大大降低。 3）利用晶体的双折射特性补偿晶体的色散效应，实现相位匹配。 在气体工作物质中，利用缓冲气体提供必要的色散，实现相 位匹配。 4 为什么参量振荡器能够产生连续输出频率，而激光器只能输出单个频率 能量守恒 ω3=ω1+ω2 动量守恒 n 3ω3=n 1ω1+n 2ω2 改变温度、角度(对非常光)、电场、压力等可改变晶体的折射率，从而改变参量振荡器的 输出频率?1，?2。因此参量振荡器可实现连续调谐。 而激光振荡器是利用原子跃迁的机理工作的，不能连续调谐。这是参量振荡器和激光振荡 器的区别 5 在拉曼散射中，为何观察不到高阶斯托克斯散射在受激拉曼散射中，高阶斯托克斯散射 光却较强高阶斯托克斯光的散射角有什么变化规律 由?p ，?s 非线性作用产生。如一级反斯托克斯散射光??s =?p +?v = ?p + ?p - ?s 由?p , ?p , ?s 通过三阶非线性产生。 代入上式，一级反斯托克斯散射光只有满足相位匹配条件： 时才能有效地产生。 高阶斯托克斯光散射角变化规律：斯托克斯散射光都是沿着与入射光方向成θ角的圆锥(3)0(,,)()()()exp[()] xxyz m n l x m y n z l m n l E E E i t εχωωωωωωωωω-++(3)'(3)0(,)3(,)()()()s p p s p p s r ωεωωωωωω=-M P a a a χ(,)(,)(,)exp[(2)] *p p s p s E r E r E r i ωωω?-?K K r 101p s s ?--='K =2K K K
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 (3)E3 + ?? 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。E2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
新型粉末材料的非线性光学特性研究(一) 摘要：多年来人们对粉末物质的非线性光学性质的研究非常重视，出现过很多种处理方法。介绍了非常简便易行的处理方法，并用这种方法检测了新合成的插层高岭土材料的非线性光学性质初步研究结果，测量了它的光强角分布情况，观察到在其反射角和透射角附近光强都有一个峰值，但在小角度入射的情况下反射散射的峰值不会与法向的强度值偏离很大，透射散射的强度会随入射角度的减小而增强。 关键词：粉末样品;插层复合物;非线性光学材料;相位匹配 1引言 随着科学的迅速发展，新材料不断出现，人们对材料的非线性光学性质很关注。测量物质的非线性光学性质的方法很多，如：场诱导二次谐波(EFISHG)、溶剂变色法、电晕极化法(基于电光系数测量和二次谐波的测量)和Kurtz粉末法，前两种方法用于溶液的测量,能获得有机分子的一阶超极化率(以测定极化聚合物薄膜的二阶非线性系数,从而推算出掺杂或功能化极化聚合物薄膜中生色团分子的β值)。上述三种方法均可获得分子的β值，而Kurtz粉末法测量的是粉末产生的二次谐波(SHG)信号，尽管不及上述方法精确，但直接反映出了NLO微晶的光学性质，既可半定量评价其非线性光学性质，又可指导NLO晶体生长。本实验自己设计了一套处理粉末样品而不同于Kurtz粉末法的实验方法，研究了插层高岭土材料粉末的NLO性质。 2样品的制备 纯高岭土在出现层状结构001面的特征衍射峰值，根据Bragg方程可计算出高岭土片层间距为0.715nm。通过向高岭土的层间填加有机化合物我们制备成了两种插层高岭土，一种是高岭土/对硝基苯胺（PNA/Kao）插层复合物，这是将纯对硝基苯胺（PNA）通过一定的手段插入到高岭土的层内得到的；另一种是高岭土/苯甲酰胺（BZ/Kao）插层复合物，它是将纯苯 甲酰胺（BZ）渗入到高岭土的层内得到的。 这两种插层复合物均为粉末状，为便于实验中的夹固我们将这些粉末晶粒用KBr黏结制成薄片状。同时，我们还将纯KBr、纯对硝基苯胺（PNA）、纯苯甲酰胺（BZ）和纯高岭土用相同的方法制成片状，以便区分插层复合物本身的性质和参加制备样品的各成分的性质，排除干扰现象，从而获得插层复合物本身的一些特有的光学性质，为分析复合物的结构或各成分含量等提供依据。 3实验装置 实验装置如图1所示，当入射光以一定的角度入射时，在反射与透射反射与透射方向都将有信号，图1为透射式探测，倍增管与入射光在样品的两侧，若要检测反射的信号，倍增管（PMT）与入射光在样品的同一侧，我们测量了两种探测方式的散射光强角分布。采用148型激光功率计算，在入射角固定的情况下，测量了在不同散射角处不同材料对应的散射光功率。 图1 我们采用波长632.8nm的He-Ne激光器作为激发源，对于非相位匹配材料，样品对632.8nm 的散射的角分布与1064nm的散射角分布以及532nm的散射角分布相同，所以固定He-Ne 激光对样品的入射方向，用激光功率计来探测不同方向上的散射光可以得到不同入射角对应的散射光强角分布。 4光强角分布图 图2纯粉末状PNA/Kao的散射光强角分布 图3黏结的PNA/Kao不同入射角对应的光强角分布 图4不同入射角时纯粉末PNA/Kao的散射光强角分布 图5黏结的PNA/Kao对不同入射角的散射光强角分布 通过上面的操作我们得到了用KBr黏结的高岭土/对硝基苯胺（PNA/Kao）插层复合物的光强
科普文：线性光学、非线性光学 现代光学的一个分支，研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。激光问世之前，基本上是研究弱光束在介质中的传播，确定介质光学性质的折射率或极化率是与光强无关的常量，介质的极化强度与光波的电场强度成正比，光波叠加时遵守线性叠加原理（见光的独立传播原理）。在上述条件下研究光学问题称为线性光学。对很强的激光，例如当光波的电场强度可与原子内部的库仑场相比拟时，光与介质的相互作用将产生非线性效应，反映介质性质的物理量（如极化强度等）不仅与场强E的一次方有关，而且还决定于E的更高幂次项，从而导致线性光学中不明显的许多新现象。介质极化率P与场强的关系可写成 P＝α1E＋α2E2＋α3E3＋… 非线性效应是E项及更高幂次项起作用的结果。 发展简史非线性光学的早期工作可以追溯到1906年泡克耳斯效应的发现和1929年克尔效应的发现。但是非线性光学发展成为今天这样一门重要学科，应该说是从激光出现后才开始的。激光的出现为人们提供了强度高和相干性好的光束。而这样的光束正是发现各种非线性光学效应所必需的(一般来说，功率密度要大于10～10W/cm,但对不同介质和不同效应有着巨大差异)。自从1961年P.A.弗兰肯等人首次发现光学二次谐波以来，非线性光学的发展大致经历了三个不同的时期。第一个时期是1961～1965年。这个时期的特点是新的非线性光学效应大量而迅速地出现。诸如光学谐波、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等都是这个时期发现的。第二个时期是1965～1969年。这个时期一方面还在继续发现一些新的非线性光学效应，例如非线性光谱方面的效应、各种瞬态相干效应、光致击穿等等；另一方面则主要致力于对已发现的效应进行更深入的了解，以及发展各种非线性光学器件。第三个时期是70年代至今。这个时期是非线性光学日趋成熟的时期。其特点是：由以固体非线性效应为主的研究扩展到包括气体、原子蒸气、液体、固体以至液晶的非线性效应的研究；由二阶非线性效应为主的研究发展到三阶、五阶以至更高阶效应的研究；由一般非线性效应发展到共振非线性效应的研究；就时间范畴而言，则由纳秒进入皮秒领域。这些特点都是和激光调谐技术以及超短脉冲激光技术的发展密切相关的。 常见非线性光学现象有：①光学整流。E2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
二维非线性光学材料 项目简介 光学信息处理是解决当前大数据处理系统在带宽、能耗、速度等瓶颈问题上的主要技术手段。纳米尺度非线性光学材料是全光集成系统中高性能单元器件（光开关、光调制器、探测器等）的核心。具有优异非线性光学特性，特别是非线性吸收和折射率的二维纳米半导体材料在物性、集成度、兼容性上独具优势，是构筑未来高性能全光信息系统的关键之一。 作为国际上最早开展二维材料非线性光学工作的研究者之一，在中组部、国家基金委、中科院、上海市科委等项目的资助下，我们团队在国际上率先揭示了石墨烯、过渡金属硫化物和黑磷等重要二维材料的超快非线性光学特性，验证了高性能二维半导体在强激光防护光限幅器和超短脉冲激光锁模器上的重要应用，取得如下主要成果： 成果一：二维半导体非线性光学效应及物理 在国际上首先揭示了过渡金属硫化物、石墨烯、黑磷等重要二维半导体的非线性光学特性；证实了钼硫族二维材料的宽带非线性吸收和折射率，以及禁带调控色散效应；实现了二维半导体的非线性特性调控工程；从单层MoS2中观测到暗态激子共振巨双光子吸收效应；观测到二维半导体中的自相位调制效应、非线性折射率色散、二维材料光学特征矩阵、光致透明效应、快/慢饱和吸收效应、全光开关调控和光限幅特性、双光子吸收饱和效应等；这些原创成果为理解二维半导体非线性光学物理机理，开发高性能非线性光学器件及全光计算等集成系统应用奠定了良好的实验和理论基础。 成果二：二维半导体非线性光学材料及应用 基于石墨烯、MoS2及其改性衍生材料等优异的非线性特性，实现了超短激光脉冲锁模器和强激光防护光限幅器等重要应用；合成出酞菁修饰的石墨烯宽带强激光防护光限幅材料；合成出MoS2、MoSe2、WS2、WSe2等过渡金属硫化物宽波段强激光防护光限幅材料；在批量制备大尺寸、高性能二维半导体非线性光学材料和二维半导体强激光防护光限幅复合材料等方面进行了大量原创性基础研究工作。特别是以非线性激光防护物理研究，结合高性能激光防护材料研制为基础，正在为中电53所、中航工业613所等单位的激光应用系统研制强激光防护装置，用于对某型号机载光电系统和激光雷达探测器进行防护，在宽波段、多时间尺度上对抗外部强激光的干扰和致盲，具有防护阈值低、消光比高、稳定性强等特点。该装置可以填补某型机载光电系统无激光防护装置的空白，可以对多种型号的激光雷达进行有效的激光损伤防护，具有很好的市场价值，如无人驾驶汽车激光雷达防护等。 2011-2016年期间，我们团队在ACS Nano、Laser & Photonics Reviews、Nanoscale、Carbon、Photonics Research、Optics Letters、Progress in Materials Science等国际SCI期刊发表二维材料非线性光学论文27篇，他引1269次。其中8篇代表性论文被他引988次，平均每篇被他人引用123次，最高单篇他引426次。主要完成人中1人入选国家青年拔尖人才和基金委优秀青年科学基金、2人入选中科院“百人计划”、3人入选上海市优秀学术带头人。
《非线性光学原理及应用》课程教学大纲 课程代码：090642004 课程英文名称：Nonlinear Optics Principle and Application 课程总学时：32 讲课：32 实验：0 上机：0 适用专业：光学类各专业 大纲编写（修订）时间：2017.10 一、大纲使用说明 （一）课程的地位及教学目标 本课程是光信息科学与工程专业的一门选修专业课，通过本课程的学习，可以使学生掌握非线性光学的基本概念、基本理论和非线性光学效应以及这些效应产生的原因和过程规律，掌握光学测试技术的相关原理和方法，培养学生解决实际问题的能力。 通过本课程的学习，学生将达到以下要求： 1．掌握和理解非线性光学的基本概念和基本理论。 2．掌握和了解非线性光学效应以及这些效应产生的原因和过程规律。 3．了解非线性光学效应的应用。 4．具有抽象思维能力、逻辑推理能力、空间想象能力和自学能力。 5．有综合运用所学知识分析和解决问题的能力 （二）知识、能力及技能方面的基本要求 1.基本知识：掌握非线性光学效应的一般知识，非线性光学效应产生的条件、物理机制等。 2.基本理论和方法：掌握和理解非线性光学的基本概念和基本理论。掌握和了解非线性光学效应以及这些效应产生的原因和过程规律。了解非线性光学效应的应用。。 3.基本技能:掌握产生和控制非线性光学效应的技能；具有抽象思维能力、逻辑推理能力、空间想象能力和自学能力；有综合运用所学知识分析和解决问题的能力等。 （三）实施说明 1．教学方法：：课堂讲授中要重点对基本概念、基本方法和解题思路的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性；注意培养学生提高理解物理概念、物理机制的能力。讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。 2．教学手段：本课程属于技术基础课，在教学中采用电子教案、CAI课件及多媒体教学系统等先进教学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。 （四）对先修课的要求 本课程的教学必须在完成先修课程之后进行。本课程主要的先修课程《物理光学》。 （五）对习题课、实践环节的要求 各章内容学习结束后，根据教材内容选择习题，布置习题作业，根据习题的完成质量，随堂讲解各章重点习题，期末总复习全面讲解。 （六）课程考核方式 1．考核方式：考查 2．考核目标：考核学生对非线性光学的物理概念、基本理论的掌握和理解。 3．成绩构成：本课程的总成绩主要由两部分组成：平时成绩（包括作业情况、出勤情况等）占20%，期末考试成绩占80%。 （七）参考书目
非线性光学论文 非线性光学综述： 现代光学的一个分支，研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。激光问世之前，基本上是研究弱光束在介质中的传播，确定介质光学性质的折射率或极化率是与光强无关的常量，介质的极化强度正比于光波的电场强度E，光波叠加时遵守线性叠加原理（见光的独立传播原理）。在上述条件下研究光学问题称为线性光学。对很强的激光，例如当光波的电场强度可与原子内部的库仑场相比拟时，光与介质的相互作用将产生非线性效应，反映介质性质的物理量（如极化强度等）不仅与场强E的一次方有关，而且还决定于E的更高幂次项，从而导致线性光学中不明显的许多新现象。 发展过程历史： 非线性光学的早期工作可以追溯到1906年泡克耳斯效应的发现和1929年克尔效应的现像。但是非线性光学发展成为今天这样一门重要学科，应该说是从激光出现后才开始的。激光的出现为人们提供了强度高和相干性好的光束。而这样的光束正是发现各种非线性光学效应所必需的(一般来说，功率密度要大于1010W/cm2（但对不同介质和不同效应有着巨大差异）。 1958年，Schawlow和Townes指出激光可以在红外和可见光频段实现在这篇文章发表之后，很多实验室立即开始竞争，去实现这一理想．1960年5月，Maiman首先发现了红宝石激光器激光的发明，引导出很多新的学科，对我们今天的科学技术以及日常生活都产生了重大影响．其中最重要的学科之一就是非线性光学，它对半个世纪以来科技的发展起了十分重要的作用．激光的光场或电场可以很强．早年，微波和射频方面的研究已经证明，当电场很大的时候，会产生非线性现象．这是因为电场与物质相互作用时，如果电场很小，表达式中的非线性项可以忽略，产生的偶极子实际上与电场成正比（即线性效应），而当电场很大时，非线性项不能再被忽略，因而可以产生二次倍频、混频等现象，这在微波和射频的实验中得到证实．我们可以预测，当光电场达到近１ｋＶ／ｃｍ时，在光波波段也会产生类似的非线性现象。 红宝石激光器出现后，人们立即想到非线性光学现象可能被观察到．1961年，Franken等用红宝石激光照射石英晶体，然后用棱镜光谱仪去分析透射的光．发现在光谱上除了基频信号外，还有一个很弱的二倍频的斑点，首次证实了二倍频的产生。 如果有了很强的光场，很容易看到非线性光学现象．在提高脉冲激光的峰值光场或强度方面，早年发展了一个所谓的调Ｑ激光技术其原理是，当激光被泵浦时，把激光的共振腔关掉 ，让泵浦源持续不断地把能量注入并存储在激光介质中，然后在短时间内把共振腔打开，使储存在介质里的能量转换成光能，出现在一个很短的激光脉冲里，这叫巨脉冲，也叫调Ｑ脉冲激光．巨脉冲的光场就非常强．因此，一些简单的非线性光学现象都很容易被看到，例如二次谐波、和频等．当频率为ω１，ω２的光同时进入一介质时，会在介质中产出（ω１＋ω２）频率的极化偶极矩，它的辐射就是和频的输出．如果要转换效率高，光的输入和输出一定要满足光的动量守恒，也就是我们说的相位匹配条件。 自从1961年，P.A.弗兰肯等人首次发现光学二次谐波以来，非线性光学的发展大致经历了三个不同的时期。第一个时期是1961～1965年。这个时期的特点是新的非线性光学效应大
非线性光学材料 摘要：非线性光学材料是一类在光电转换、光开关、光信息处理等领域具有广泛应用前景的光电功能材料。在目前信息技术高速发展的时代，光电子工业发展迅猛，对光电功能材料的需求也日趋增长。在光电子工业中如光开关、光通讯、光信息处理、光计算机、激光技术等都需要以非线性光学材料为基础材料，因此，近几十年来非线性光学材料引起了人们的广泛关注，对它的研究也以日新月异的速度发展着。 关键词：非线性光学材料；光电功能材料 1.简介 在目前信息技术高速发展的时代，光电子工业发展迅猛，对光电功能材料的需求也日趋增长。在光电子工业中如光开关、光通讯、光信息处理、光计算机、激光技术等都需要以非线性光学材料为基础材料，因此，近几十年来非线性光学材料引起了人们的广泛关注，对它的研究也以日新月异的速度发展着。非线性光学材料是指一类受外部光场、电场和应变场的作用，频率、相位、振幅等发生变化，从而引起折射率、光吸收、光散射等变化的材料。在用激光做光源时，激光与介质间相互作用产生的这种非线性光学现象，会导致光的倍频、合频、差频、参量振荡、参量放大，引起谐波。利用非线性光学材料的变频和光折变功能，尤其是倍频和三倍频能力，可将其广泛应用于有线电视和光纤通信用的信号转换器和光学开关、光调制器、倍频器、限幅器、放大器、整流透镜和换能器等领域。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=αE+βE2+γE3+……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。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。 2.非线性光学材料分类 自从20世纪60年代诞生起，非线性光学材料的研究取得了很大的进展，有很多已经进实用化阶段[1-3]。根据组成可将非线性光学材料大致分为无机非线性光学材料，有机非线性
黑磷等二维材料的非线性光学特性研究 非线性光学是光子学的研究基础,广泛用于光信息技术、激光技术、材料分析和纳米光子技术中。非线性光学效应是非线性光学研究的热点。寻找具有大的非线性极化率、高损伤阈值和合适的响应时间的非线性光学材料一直是研究人员追寻的目标。二维纳米材料具有优异的非线性光学效应,广泛用于激光器、光调制器和光开光等光电器件中,引起了科研人员的广泛关注。 石墨烯是最早发现的二维材料,具有工作带宽宽、非线性折射率大和响应时间快等优点,在激光器领域的应用已经逐渐成熟。但是,石墨烯材料本身是零带隙的电子结构,特别是损伤阈值低、调制深度可调范围小和存在热效应等缺点限制了其在高能量激光器中的应用。因此,科研人员进一步寻找具有宽波段饱和吸收特性、超快响应时间、低损耗阈值、大调制深度、高损伤阈值和低成本等优点的二维材料。除了石墨烯外,拓扑绝缘体、过渡金属硫化物和黑磷等二维材料相继被制备出来。 这些二维材料具有不同的能带结构,展现了不同的物理、化学和电学等性质。本文针对拓扑绝缘体和黑磷等二维材料的制备和非线性光学特性进行了系统的研究,取得了以下成果:（1）采用自下而上的实验方法制备拓扑绝缘体:硒化铋,得到了尺寸均一的双层硒化铋纳米片,厚度为3-7 nm。实验结果表明,这种方法制备过程简单,重复率高,并且能控制硒化铋的尺寸。这种制备超薄均匀的硒化铋纳米片的方法为其他二维材料的制备提供了新的思路,将有可能被推广到其他二维层状材料制备中。 此外,采用飞秒Z扫描技术,在800 nm波段,实验测得硒化铋在800nm和1565 nm波段具有良好的饱和吸收特性。在800 nm,通过拟合得到硒化铋纳米片的饱和光强为32 GWcm-2,调制深度为88%。在1565 nm,拟合得到的硒化铋纳米片的饱和光强为3.7 MWcm-2,调制深度为36%。把双层硒化铋纳米片作为可饱和吸收体用于被动锁模激光器中,能产生中心波长为1571 nm,脉宽为579 fs,重复频率为12.54 MHz的锁模脉冲。 （2）系统研究了尺寸对黑磷材料的非线性光学性质的影响。用液相剥离法结合分段离心技术制备三种不同尺寸的黑磷纳米片。通过透射电子显微镜、原子力显微镜、拉曼仪器以及粒度分析仪等仪器表征这三种黑磷纳米片的形态差异。
第一章 非线性光学极化率 §1.1 导论 “非线性光学”研究什么？?“光”对介质“光学性质”的“非线性影响”。 “光”： 强光(Laser) 光强比较：)/(/2m W S W I =或用电场强度)/(m V E 表示 1）正午阳光： )/(2502m W I = (查书:P433) )/(1037.1)/(10324m V E m W I ?=??→?=对应. 2E I ∝ , 2 3224)/(1037.1)/(250)/(10?? ? ????=x m V m W m W , )/(16.2)/(216cm V m V x ==. 2）Laser ： 历史：1960年: 梅曼 红宝石 ? A 6943，1961年: Franken 二次谐波 脉冲Laser: ? ????=?--s s t 1512 1010皮秒 飞秒 )(10/1019 W t E ns t J E =??? ??=?= 21021001.0m mm S -==?聚焦后 )/(1033.4/1010219m V E m W I ?=?= 3） 原子内场（以H 原子为例）： 国际单位制[MKS+A(安培)] 2 041 r e E at πε= C e 19 10 60.1-?=;m F /1085.8)(120-?=真空中的介电系数ε;V C F /= m A n a r 10 11053.053.0)1,(-? ?====波尔半径 )/(106)(1061121 11 m V m C F m E at ?=????=---------与Laser 比较→同一量级。 高斯单位制[CGS+esu(静电单位)] 2r e E at =
非线性光学材料 物理科学与技术学院 物理学类 胡健 2010301020087 【摘要】：本文主要介绍非线性光学材料的发展历程，种类，特征，即非光学性，并展望了非线性光学材料的发展前景，和它在科研项目中所发挥的作用。 【关键字】：非线性光学材料，共振非线性，非共振非线性，非线性系数。 一、非线性光学的由来： 非线性光学材料起步的时间较短。在1961年Franken等用红宝石光束通过石英晶体时，观察到倍频效应。1962年Bloembergen等创立了光波混频理论，这就是非线性光学的的诞生。进而产生非线性光学材料。它指一类受到外部光场、电场和应变场的作用，频率、相位、振幅等发生变化，从而引起折射率、光吸收、光散射等变化的材料，能够进行光波频率转换和光信号处理，比如利用混频现象实现对弱光信号的放大、利用非线性响应实现光记录和运算功能等，因此在激光、通讯、电子仪器及医药器材等领域有重要的应用价值。 二、非线性光学的种类 非线性光学材料就是那些光学性质依赖于入射光强度的材料，非线性光学性质也被称为强光作用下的光学性质，这是因为这些性质只有在
激光的强相干光作用下表现出来的，通过利用非线性光学晶体的倍频、和频、差频、光参量放大和多光子吸收等非线性过程可以得到频率和入射光频率不同的激光，从而达到光频率变换的目的，因此对非线性光学材料的确立就有了以下的依据①有较大的非线性极化率。这是基本的但不是唯一的要求。由于目前激光器的功率可达到很高的水平，即使非线性极化率不很大，也可通过增强入射激光功率的办法来加强所要获得的非线性光学效应；②有合适的透明程度及足够的光学均匀性，亦即在激光工作的频段内，材料对光的有害吸收及散射损耗都很小；③能以一定方式实现位相匹配（见光学位相复共轭）；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。 对非线性光学材料中最为实用的进行简单介绍： （1）、半导体材料 在电子学中，半导体材料有着极为广泛的用途，通过引入少量的掺杂，就会极大地改变其光学性能，从而满足对半导体材料的不同性能的要求。半导体材料的三阶非线性光学效应表现为与强度相关的反射率和吸收系数。从微观结构来讲，这些效应广义地分类为共振非线性和非共振非线性。当光子能量接近于半导体的基础吸收限时，由光子激发产生载流子，从而产生共振非线性，当光子能量远低于基础吸收限时，产生非共振非线性。半导体材料非线性光学效应的反应速率与产生非线性的机理密切相关。反应最快的非线性光学过程是光电辐射与束缚电子之间的非共振作用，这些与光子作用的电子占据了外层电子壳
非线性光学材料研究 摘要： 非线性光学材料是一类在光电转换、光开关、光信息处理等领域具有广泛应用前景的光电功能材料。本文通过对三种非线性光学材料—石墨烯、碳纳米管和量子点的性能、制备以及应用展开综合性描述。阐述当今时代非线性光学材料的发展前景和探索其未来更广阔的的应用领域。 关键词： 非线性光学材料；石墨烯；碳纳米管；量子点；综述 Study on nonlinear optical materials Abstract: Nonlinear optical material is a kind of optoelectronic functional material which has wide application prospect in the fields of photoelectric conversion, optical switch, optical information processing and so on. In this paper, the properties, preparation and application of three kinds of nonlinear optical materials - graphene, carbon nanotubes and quantum dots, are described. The development of nonlinear optical materials in the present age and its future application fields are described. Key words: Nonlinear optical materials; graphene; carbon nanotubes; quantum dots; review 1 简介 非线性光学材料是一类在光电转换、光开关、光信息处理等领域具有广泛应用前景的光电功能材料。在目前信息技术高速发展的时代，光电子工业发展迅猛，对光电功能材料的需求也日趋增长。在光电子工业中如光开关、光通讯、光信息处理、光计算机、激光技术等都需要以非线性光学材料为基础材料，因此，近几十年来非线性光学材料引起了人们的广泛关注，对它的研究也以日新月异的速度发展着。? 非线性光学是随着激光技术的出现而发展形成的一门学科分支，是近代科学前沿最为活跃的学科领域之一。数十年间,非线性光学在基本原理、新型材料的研究、新效应的发现与应用方面都得到了巨大的发展，成为光学学科中最活跃和最重要的分支学科之一。?
计算化学在非线性光学材料中的应用 摘要非线性光学是随着激光技术的出现而发展形成的一门学科分支，是近代科学前沿 最为活跃的学科领域之一，而计算化学在非线性光学材料中发挥着重要作用。非线性光学在基本原理、新型材料的研究、新效应的发现与应用方面都得到了巨大的发展，成为光学学科中最活跃和最重要的分支学科之一。 关键词非线性光学极化率,密度泛函理论计算,扩散函数，尿素晶体;电子结构;倍频系数;从头计算，一阶超极化率； 1 非线性光学材料的研究发展现状 作为一种较好的非线性光学材料，必须满足：(1)有适当大小的非线性系；(2)在工作波长应有很高的透明度(一般吸收系数α<0.01)；(3)在工作波长可以实现相位匹配；(4)有较高的光损伤阀值；(5)能制成具有足够尺寸、光学均匀性好的晶体；(6)物化性能稳定，易于进行各种机械、光学加工。[1] 2 计算化学在非线性光学材料中的应用举例 2.1 非线性光学极化率密度泛函理论计算的基组效应 由于分子的非线性光学性质与分子外层电子行为及激发性质密切相关,扩散函数对分子的非线性光学极化率计算非常重要.几何结构优化中,GGA(the generalized gradient approximation)部分都采用Beck-Perdew校正.在全部二阶非线性光学极化率的计算中,GGA部分都采用能较好描述非线性现象的定域校正SOAP(statistical average of different orbital model potentials).CO和HF的结构参数(rCO=0.1612 nm,rHF=0.0917 nm）。.对CH 3CN,PNA两个分子采用DZP基组进行结构优化(其中在C 3v 对称下优化CH3CN分 子结构,在C 2v 对称下优化PNA分子结构).然后分别在ET-QZ3P-1DIFFUSE基组、DZP基组、TZP基组、自创的DZP+df基组水平上计算CO,HF,CH3CN,PNA的含频二阶非线性光学极化率.在使用DZP,TZP,DZP+df基组时,C,O,N,原子内核轨道封闭到1s.对于含有重金属原子Ru的二价离子5,由于相对论效应不可忽视,所以碎片的产生、结构优化和含频二阶非线性光学极化率计算都考虑了相对论效应,采用标度的ZORA近似(the zero-order regular approximation).对5在Cs对称群下进行结构优化和含频非线性光学极化率的计算.在结构优化中,C,N,O,H采用DZP基组,Ru原子采用TZP基组.在含频二阶非线性光学极化率计算中,C,N,O,H分别采用DZP基组、TZP基组、DZP+df基组,而Ru原子采用TZP基组.C,N,O 原子内核封闭至1s内核轨道,Ru原子封闭到3d轨道.全部计算采用使用ADF2002程序包在集群并行计算机上完成.[2] 2.2 尿素晶体线性和非线性光学系数的计算 使用从头计算平面波赝势法计算了尿素晶体的电子能带结构、线性和非线性光学系数,折射率和倍频系数的计算结果与实验结果基本符合。晶体的线性光学性质(折射率、吸收
[4]宋洪娟,张梦颖,孙秀欣,孙世玲,仇永清.6,12-二乙炔基茚并[1,2-b]芴系列衍生物的非线性光学性质[J].物理化学学报,2012,12:2839-2844. 摘要：采用密度泛函理论(DFT)CAM-B3LYP方法对6,12-二乙炔基茚并[1,2-b]芴系列衍生物的极化率(αs)和第二超极化率(γs)进行研究.结果表明,此类分子具有较大的γs值.用乙炔基硅烷基和氧原子取代茚并[1,2-b]芴分子6,12位的氢原子后,分子的几何构型发生改变,进而影响其非线性光学(NLO)性质.连接乙炔基硅烷基的分子αs值和γs值均增大,而连接氧原子的分子αs值和γs值均减小.茚并[1,2-b]芴环2,8位取代基R(R=H,F,CH3)的不同,对分子的γs值也有一定的影响,R为CH3时分子的αs值和γs值均较大.由含时密度泛函理论(TD-DFT)方法计算的吸收光谱分析可知,与... [5]张国栋,王善朋,陶绪堂.红外非线性光学晶体研究进展[J].人工晶体学报,2012,S1:17-23. 摘要：利用红外非线性光学晶体对可见或近红外激光进行频率下转换,是获取3μm以上中远红外激光的重要途径。本文从红外技术的发展对红外非线性光学材料提出的要求出发,系统地综述了非氧体系的红外非线性光学晶体的性能特点以及研究进展。介绍了单晶材料ZnGeP2、CdSiP2、LiInS2系列晶体及BaGa4S7、Ba Ga4Se7、AgGaGeS4、AgGaGe5Se12、AgGaxIn1-xSe2和GaS0.4Se0.6,以及以OP-GaAs为代表的周期结构准位相匹配材料的研究进展。最后,本文指出了目前红外非线性光学晶体研究领域存在的问题和发展趋势。 [6]赵建勋,蒋大勇,高尚,梁庆成,秦杰明.对人工合成金刚石的三阶非线性光学极化率的研究[J].科技视界,2012,30:25-26. 摘要：金刚石是一种有着许多优异的物理、化学性质的宽禁带半导体材料,因而它被视作适宜制作光电子器件的材料。基于克尔效应理论,我们设计了一种简便易行的测量合成金刚石的三阶非线性光学极化率的方法。在实验中,我们搭建了横向电光调制系统,以人工合成的Ⅰ型金刚石为样品,测量出在光波长为650nm时合成金刚石单晶的三阶非线性光学极化率张量中的元素χ1212(2)=2.17×10-23m2V2。 [7]陆晶晶,冯苗,詹红兵.氧化石墨烯/壳聚糖复合薄膜材料的制备及其非线性光限幅效应的研究[J].物理学报,,:1+5. 摘要：石墨烯及其衍生物作为新型碳纳米结构,由于其优异的光限幅性能而受到广泛关注,但现有的工作多数侧重于其在液相体系中光限幅效应及其起因研究.本文以壳聚糖为成膜基质,将氧化石墨烯(GO)与壳聚糖(CS)在液相中均匀共混后成膜,对比研究GO溶液和GO-CS复合膜的光限幅效应及其起因.结果表明在线性透过率相同的情况下,GO在固相基质中表现出比液相基质更强的光限幅效应和更弱的非线性散射.这说明不同于碳纳米管简单的非线性散射,在GO中可能存在多种非线性光学效应. [8]吴立明,陈玲.无机非线光学材料的设计、合成和性能研究[A].国家自然科学基金委员会、中国化学会.第六届全国物理无机化学会议论文摘要集[C].国家自然科学基金委员会、中国化学会:,2012:1 摘要:<正>二阶非线性光学(NLO)材料在有广泛的应用,因此探索新颖高效的NLO化合物具有重要意义。近年来,利用无机固相合成手段,我们发现了系列新颖的、具有良好的倍频效应的、非线性光学晶体化合物,一些化合物还表现了特殊的响应机制,特殊的晶体结构。例如违背Kleinman规则最强SHG响应的手性La_4InSb S_9,SHG强度为商用AgGaS_2100倍的四面体超结构Ba_3AGa_5Se_(10)Cl_2,不对称单元定向排列的Ln_4Ga SbS_9以及多基团协同增强的Pb_2B_5O_9I等。 [9]王芸,梁晓娟,蔡倩,冯丽,邵明国,钟家松,向卫东.Cu_2ZnSnS_4纳米晶的制备及其三阶非线性光学性能的研究[J].化学学报,2012,07:903-910. 摘要：以乙酰丙酮铜、醋酸锌、二氯亚锡、油胺和硫粉为前驱体,采用one-pot法合成出了单分散的Cu2Zn SnS4(CZTS)纳米晶.所得样品采用X射线粉末衍射仪(XRD),能量色散谱仪(EDS),透射电子显微镜(TEM),高分辨透射电子显微镜(HRTEM),光电子能谱仪(XPS),紫外-可见光谱仪(UV-vis)和Z-扫描(Z-scan)技术对其结构组成、形貌、性能等进行了表征.结果表明:所获得的产物为四方相结构的六边形CZTS纳米颗粒,直径