最新11 非线性光学晶体材料汇总

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。

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
非线性光学 晶体材料分 子设计方法
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
非线性光学器件对晶体材料的要求
具有大的有效倍频系数 宽的透光范围 适中的双折射率 高的光损伤阈值 晶体的光学均匀性 晶体的物理化学性质
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。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ术
➢ 准相位匹配技术
Nd基型激光器的倍频
➢ KTP晶体 ➢ LBO晶体
Nd：YAG激光的三、四、五倍频器件
➢ LBO晶体 ➢ CBO晶体 ➢ BBO晶体
Ti：sapphire的倍频器件
➢ LBO晶体 ➢ BBO晶体
深紫外谐波光的器件
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

第二章非线性光学晶体概述§2.1 非线性光学晶体发展概述一激光频率转换晶体二电光晶体(非线性电极化过程)三光折变晶体四激光自倍频晶体五有机非线性光学晶体（新领域）一激光频率转换晶体主要应用于激光倍频，和频，差频，多次倍频，参量振荡和放大等方面。

具有的性能：（1）非线性光学系数大（2）能实现相位匹配（3）有适当大小的双折射率（4）透光波段宽，透过率高（5）激光损伤阈值要大具有的性能：（6）激光转换效率高（7）物化性能稳定，硬度大，不易潮解,温度变化影响小（8）可获得光学均匀的大尺寸晶体（9）易于加工，价格低廉按其透光波段分为三类：1 红外波段的频率转换晶体黄铜矿结构型晶体：（愚人金）AgGaS2, AgGaSe2, CdGaAs2, AgGa(Se1-x S x)2（薄弱）优缺点：非线性光学系数很大，但能量转换效率受到晶体光学质量和晶体尺寸大小的限制。

2 可见光到红外波段(成熟）晶体种类：磷酸盐，碘酸盐，铌酸盐（1）磷酸盐(KDP, KTP)KDP晶体磷酸二氢钾（KH2PO4）型晶体负单轴晶体，密度：在293K时为2.3383g/cm3优点：从水溶液中可以生长出高光学质量、特大尺寸的KDP 晶体，透光波段从紫外到红外，激光损伤阈值中等，倍频阈值功率在100W 以上，易于实现相位匹配0.11.320.31.220.010.940.000050.51450.0030.35130.20.212α/cm -1λ/µm应用:激光变频、电光调制和光快速开关等高科技领域,是人工激光变频系统的首选材料。

KTP晶体：磷酸钛氧钾（KTiOPO4）型晶体正双轴晶体：在λ=0.5461 µm时，2V z=37.4°密度：2.945g/cm3；3.032g/cm3；3.03g/cm3优点：号称频率转换的“全能冠军”，具有倍频系数大，透过波段宽，损伤阈值高，转换效率高，化学稳定性好等优点。

非线性光学晶体非线性光学晶体对于激光强电场显示二次以上非线性光学效应的晶体非线性光学晶体是对于激光强电场显示二次以上非线性光学效应的晶体。

非线性光学晶体是一种功能材料，其中的倍频（或称“变频”）晶体可用来对激光波长进行变频，从而扩展激光器的可调谐范围，在激光技术领域具有重要应用价值。

1 介绍具有非线性光学效应的晶体。

广义指在强光或外场作用下能产生非线性光学效应的晶体。

通常将强光作用下产生的称为非线性光学晶体; 外场作用下产生的称电光、磁光、声光晶体。

此外，还有含共轭体系的有机分子组成的晶体或聚合物。

广泛应用的有KH2PO4(KDP)、NH4H2PO4(ADP)、CsH2A5O4(CDA)；KTiOPO4、KNbO3、NiNbO3、 Ba2NaNb5O15；BaB2O4(BBO)、LiB3O5(LBO)、NaNO2；GaAs、InSb、InAs、 ZnS等。

按状态分为块状、薄膜、纤维、液晶。

利用二阶非线性效应产生的倍频、混频、参量振荡及光参量放大等变频技术，可拓宽激光的波长范围，已应用于核聚变、医疗、水下摄影、光通信、光测距等方面。

2 三硼酸锂晶体简称LBO晶体。

分子式为 LiB3O5，属正交晶系，空间群为Pna2 的一种非线性光学材料。

福建物质结构研究所首次发现。

密度2.48g/cm，莫氏硬度6，具有较宽的透光范围（0.16～2.6μm），较大的非线性光学系数，高的光损伤阈值（约为KTP的 4.1倍，KDP 的1.83倍，BBO的2.15 倍）及良好的化学稳定性及抗潮解性。

可用于1.06μm激光的二倍频和三倍频，并可实现Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配。

用功率密度为350MW/cm的锁模Nd ：YAG激光，样品通光长度为11mm （表面未镀膜），可获得倍频转换效率高达60%。

LBO晶体可制作激光倍频器和光参量振荡器。

用高温溶液法可生长出光学质量的单晶。

3 三硼酸锂铯晶体CLBO晶体的基本结构与三硼酸铮和三硼酸铯相同，其阴离子基因中平面基团和四面体基团的结合是其大的非线性效应来源。