非线光学材料的能及其改进教学课件

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1、非线性光学材料的 性能及其改进,一、材料的非线性极化,一、材料的非线性极化,一、材料的非线性极化,一、材料的非线性极化,二、主要的非线性光学材料,二、主要的非线性光学材料,二、主要的非线性光学材料,二、主要的非线性光学材料,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

2、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- 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,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

3、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,KTP内腔倍频和Q开关的同时运转 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

4、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,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，

5、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,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,二、主要的非线性光

6、学材料,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

7、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 (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:

8、 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

9、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He- Ne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。,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。5,三、非线性光学材料的改性,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

10、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-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。,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

11、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 ：,三、非线性光学材料的改性,(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；,(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

12、极富吸引力。,(2)V族半导体材料 它们在“限制材料” (Confined-stuctures) 方面有很好的前景。 -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；,全光学装置的工作原理基于材料的非线性光学效应，对光信号直接进行切换和处理，不必将其转换成电子形式。全光学装置所采用的材料必须具备足够高的非线性折射率和亚皮秒级(subpicosecond)的响应时间。在这方面光学玻璃具有较大的优势和潜力,虽然玻璃的非线性光学折射率n2要低于其

13、它一些有机和半导体非线性光学材料，但是，由于玻璃的吸收系数低，响应时间短，因此具有十分优良的综合品质。,1.无机非线性材料的改性技术,全光学装置1： 据报导，现在电子元件的最高分辨力可达到皮秒级(10-12s)，然而，与尚处于试验阶段，速度已达到飞秒级(femtosecond，10-15s)的全光学元件相比，仍要慢1000倍。,在激光材料的研究中，通常总是希望减小材料的非线性光学效应，以避免由自聚焦或自散焦带来的光波面畸变或光致材料损伤。与此相反，对于全光学装置材料来讲，研究的重点则放在提高材料的非线性光学效应上，以便使所需的光源功率尽可能地降低，从而达到实用的目的。,1.无机非线性材料的改性

14、技术,表1 几种非线性光学材料的性能,1.无机非线性材料的改性技术,表2 几种低折射率玻璃的光学性能,注：除带#为587.6nm波长外，其余均为1.06m波长。,1.无机非线性材料的改性技术,表3 几种高折射率玻璃的光学性能,通过在玻璃的网络里添加不同的、具有高的分子折射度的调整体来提高其非线性折射率。高折射率玻璃一般分为两类：一类是含重金属网络调整体离子(如铅和铋)的玻璃，列于表3的SF(Schott)系列玻璃(铅含量) 70wt及QS (Corning)实验玻璃属于此类；另一类则是含具有提高折射指数能力的网络中间体离子(如钛、钽、铌或碲等)的玻璃，列于表3的K- 1261(NBS)等玻璃属

15、于此类。在此类玻璃中，过渡金属元素因能有效地提高材料的折射指数而倍受注目，而对氧化碲系统玻璃进行的最新研究则表明，其X3已达到10-12，约为SiO2玻璃的50倍。,1.无机非线性材料的改性技术,玻璃非线性光学材料1： 具有相同线性折射率的材料，其非线性折射率可能会相差一个数量级，玻璃的线性或非线性光学性能的显著改变是通过改变而非仅仅 调整玻璃的网络而实现的。,材料的非线性折射率n2大致随其线性折射率no的增加而提高，并导出了表示两者之间关系的经验公式。玻璃组成对其非线性光学效应的影响具有复杂性，通常认为，低折射率玻璃的非线性光学效应主要受阴离子极化的影响，而网络形成和调整阳离子的作用可忽略不

16、计。与此相反，当易极化的阳离子浓度增加到一定值时，则阳离子的极化对非线性光学效应的影响将起主导作用，而与阴离子的状态无关。,1.无机非线性材料的改性技术,玻璃非线性光学材料： 对不同玻璃系统进行的旨在提高玻璃非线性光学折射率的研究，是近十多年来无机非金属材料领域中的热门课题。在研究玻璃的非线性折射率时，引入了一个与玻璃组分有关的新概念离子超折射度(hyperpolarizability)3，并且提出了与三次极化张量3的关系： 3=L24Ni(3)i 式中 L为与材料的微观局部电场和宏观可测电场有关的因子； i为组分序号；N为i组分的离子浓度。,1.无机非线性材料的改性技术,As2S3玻璃1：由于阴离子硫对氧的替换，其X3比氧化物玻璃为大，且是迄今为止所报导的具有最大 3 的非共振玻璃。不过由于硫属玻璃的本征吸收最小值位于46um (硅酸盐玻璃位于1um)，显然在1.06um波长测得的X3 有相当部分属于共振吸收分量。为了减少这种影响，曾对一系列硫属玻璃进行过2um的 3 测试，也很