1960年Maiman發(fā)現(xiàn)激光，次年Franken發(fā)現(xiàn)激光與物質(zhì)作用產(chǎn)生的倍頻現(xiàn)象，拉開了非線性光學(xué)(Nonlinear Optics, NLO)及其材料研究的序幕。今天光博會(huì)為大家介紹一些非線性光學(xué)材料。請(qǐng)有興趣的光學(xué)人看看這篇文章!

非線性光學(xué)材料及分類

非線性光學(xué)材料就是那些光學(xué)性質(zhì)依賴于入射光強(qiáng)度的材料，非線性光學(xué)性質(zhì)也被稱為強(qiáng)光作用下的光學(xué)性質(zhì)，主要因?yàn)檫@些性質(zhì)只有在激光這樣的強(qiáng)相干光作用下才表現(xiàn)出來(lái)。

二階非線性光學(xué)材料大多數(shù)是不具有中心對(duì)稱性的晶體。常用于光學(xué)倍頻、混頻和光學(xué)參量振蕩等效應(yīng)的晶體材料有兩大類。一類是氧化物晶體，典型的如磷酸二氫鉀(KDP)、磷酸二氘鉀(KD*P)、磷酸二氫銨(ADP)、碘酸鋰、鈮酸鋰等。這一類比較適宜于工作在可見光及近紅外頻段。另一類是半導(dǎo)體晶體，典型的如碲和淡紅銀礦(Ag3AsS3)等。后一類更適宜于工作在中紅外頻段。

三階非線性光學(xué)材料的范圍很廣。由于不受是否具有中心對(duì)稱這一條件的限制，這些材料可以是氣體、原子蒸氣、液體、液晶、等離子體以及各類晶體、光學(xué)玻璃等，從其產(chǎn)生三階非線性極化率的機(jī)制來(lái)說也可以很不相同。有些來(lái)源于原子或分子的電子躍遷或電子云形狀的畸變;有些來(lái)源于分子的轉(zhuǎn)向或重新排列;有些來(lái)源于固體的能帶之間或能帶以內(nèi)的電子躍遷;有些來(lái)源于固體中的各種元激發(fā)，如激子、聲子、各種極化激元等的狀態(tài)改變。

常見的三階非線性光學(xué)材料有：

①各種惰性氣體，通常用于產(chǎn)生光學(xué)三次諧波、三階混頻，以獲得紫外波長(zhǎng)的相干光。

②堿金屬和堿土金屬的原子蒸氣,如Na、K、Cs原子及Ba、Sr、Ca原子等，通常用于產(chǎn)生共振的三階混頻、受激喇曼散射、相干反斯托克斯喇曼散射等效應(yīng)(見受激光散射)，以實(shí)現(xiàn)激光在近紅外、可見及紫外波段間的頻率變換及頻率調(diào)諧。

③各種有機(jī)液體及溶液，如CS2、硝基苯、各種染料溶液等,這些介質(zhì)由于有較大的三階非線性極化率，常用來(lái)進(jìn)行各種三階非線性光學(xué)效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，例如光學(xué)克爾效應(yīng)、受激布里淵散射、簡(jiǎn)并四波混頻及光學(xué)位相復(fù)共軛效應(yīng)、光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)等都曾先后在這類介質(zhì)中進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)研究。

④在液晶相及各向同性相中的各種液晶。由于液晶分子的取向排列有較長(zhǎng)的弛豫時(shí)間，故液晶的各種非線性光學(xué)效應(yīng)有自己的特點(diǎn)，引起人們特殊的興趣。例如曾用以研究光學(xué)自聚焦及非線性標(biāo)準(zhǔn)具等效應(yīng)的瞬態(tài)行為。

⑤某些半導(dǎo)體晶體。最近發(fā)現(xiàn)有些半導(dǎo)體，如lnSb，在紅外區(qū)域有非常大的三階非線性極化率，適合于做成各種非線性器件，例如光學(xué)雙穩(wěn)器件。

　非線性光學(xué)晶體

非線性光學(xué)晶體是對(duì)于激光強(qiáng)電場(chǎng)顯示二次以上非線性光學(xué)效應(yīng)的晶體。非線性光學(xué)晶體是一種功能材料，其中的倍頻(或稱“變頻”)晶體可用來(lái)對(duì)激光波長(zhǎng)進(jìn)行變頻，從而擴(kuò)展激光器的可調(diào)諧范圍，在激光技術(shù)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。

具有非線性光學(xué)效應(yīng)的晶體。廣義指在強(qiáng)光或外場(chǎng)作用下能產(chǎn)生非線性光學(xué)效應(yīng) 的晶體。通常將強(qiáng)光作用下產(chǎn)生的稱為非線性光學(xué)晶體; 外場(chǎng)作用下產(chǎn)生的稱電光、磁光、聲光晶體。

此外，還有含共軛體系的有機(jī)分子組成的晶體或聚合物。廣泛應(yīng)用的有KH2PO4(KDP)、NH4H2PO4(ADP)、CsH2A5O4(CDA);KTiOPO4、KNbO3、NiNbO3、 Ba2NaNb5O15;BaB2O4(BBO)、LiB3O5(LBO)、NaNO2;GaAs、InSb、InAs、 ZnS等。

按狀態(tài)分為塊狀、薄膜、纖維、 液晶。利用二階非線性效應(yīng)產(chǎn)生的倍頻、混頻、參量振蕩及光參量放大等變頻技術(shù)，可拓寬激光的波長(zhǎng)范圍，已應(yīng)用于核聚變、醫(yī)療、水下攝影、光通信、 光測(cè)距等方面。

三硼酸鋰晶體簡(jiǎn)稱LBO晶體。分子式為 LiB3O5，屬正交晶系，空間群為Pna2 的一種非線性光學(xué)材料。福建物質(zhì)結(jié) 構(gòu)研究所首次發(fā)現(xiàn)。密度2.48g/cm， 莫氏硬度6，具有較寬的透光范圍 (0.16～2.6μm)，較大的非線性光學(xué) 系數(shù)，高的光損傷閾值(約為KTP的 4.1倍，KDP的1.83倍，BBO的2.15 倍)及良好的化學(xué)穩(wěn)定性及抗潮解性。 可用于1.06μm激光的二倍頻和三倍 頻，并可實(shí)現(xiàn)Ⅰ類和Ⅱ類相位匹配。用 功率密度為350MW/cm的鎖模Nd ：YAG激光，樣品通光長(zhǎng)度為11mm (表面未鍍膜)，可獲得倍頻轉(zhuǎn)換效率 高達(dá)60%。LBO晶體可制作激光倍頻 器和光參量振蕩器。用高溫溶液法可 生長(zhǎng)出光學(xué)質(zhì)量的單晶。

CLBO晶體的基本結(jié)構(gòu)與三硼酸錚和三硼酸銫相同，其陰離子基因中平面基團(tuán)和四面體基團(tuán)的結(jié)合是其大的非線性效應(yīng)來(lái)源。透光范圍為175nm～2.75μm，具有對(duì)紫外很寬范圍良好的透過率，并具有更大的有效非線性系數(shù)，具有適中的雙折射率，能夠?qū)崿F(xiàn)Nd：YAG激光的倍頻、三倍頻、四倍頻乃至五倍頻的位相匹配。

CLBO晶體也可采用熔鹽法法生長(zhǎng).能在較短的時(shí)間內(nèi)生長(zhǎng)大尺寸的優(yōu)質(zhì)單晶。其良好的溫度穩(wěn)定性，大的角度帶寬和小的離散角.具有很高的抗光傷閾值，良好的化學(xué)穩(wěn)定性，基本不潮解，但是從目前情況來(lái)看，該晶體的長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性尚待考驗(yàn)。

KDP晶體是水溶性晶體之一.是以離子鍵為主的多鍵型晶體，但是，在陰離子基團(tuán)中存在著共價(jià)鍵和氫鍵，其非線件光學(xué)性質(zhì)，主要起源于這一基團(tuán)。

KDP晶體在水中有較大的溶解度。通常用溶液流動(dòng)法和溫差流動(dòng)法來(lái)生長(zhǎng)。大尺寸KDP晶體采用特殊方法工藝可達(dá)到快速生長(zhǎng)的目的。由于KDP晶體采用水溶液生長(zhǎng)，莫氏硬度2.5，硬度較低.易潮解，所以需采取保護(hù)措施。

KDP晶體除了作為頻率轉(zhuǎn)換晶體外，還有優(yōu)良的電光性能，其電光系數(shù)大，半波電壓低，良好的壓電性能等。KDP晶體作為優(yōu)良的頻率轉(zhuǎn)換晶體對(duì)1.064μm激光實(shí)現(xiàn)二、三、四倍頻。對(duì)染料激光實(shí)現(xiàn)倍頻而被廣泛應(yīng)用。又用以制造激光Q開關(guān)、電光調(diào)制器和同態(tài)光閥顯示器等。

光博會(huì)將舉辦“精密光學(xué)與光電檢測(cè)主題展”

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