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光学工程
非线性光学材料

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,主要因为这些性质只有在激光这样的强相干光作用下才表现出来。

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与入射光频率不同的激光,从而达到光频率变换的目的。

这类晶体广泛应用于激光频率转换、四波混频、光束转向、图象放大、光信息处理、光存储、光纤通讯、水下通讯、激光对抗及核聚变等研究领域。

我国在非线性光学晶体研制方面成绩卓著,某些晶体处于世界领先地位。

选择非线性光学材料的主要依据有以下几方面: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。

非线性光学材料的分类

二阶非线性光学材料

二阶非线性光学材料大多数是不具有中心对称性的晶体。常用于光学倍频、混频和光学参量振荡等效应的晶体材料有两大类。一类是氧化物晶体,典型的如磷酸二氢钾(KDP)、磷酸二氘钾(KD*P)、磷酸二氢铵(ADP)、碘酸锂、铌酸锂等。这一类比较适宜于工作在可见光及近红外频段。另一类是半导体晶体,典型的如碲和淡红银矿(Ag3AsS3)等。后一类更适宜于工作在中红外频段。

三阶非线性光学材料

三阶非线性光学材料的范围很广。由于不受是否具有中心对称这一条件的限制,这些材料可以是气体、原子蒸气、液体、液晶、等离子体以及各类晶体、光学玻璃等,从其产生三阶非线性极化率的机制来说也可以很不相同。有些来源于原子或分子的电子跃迁或电子云形状的畸变;有些来源于分子的转向或重新排列;有些来源于固体的能带之间或能带以内的电子跃迁;有些来源于固体中的各种元激发,如激子、声子、各种极化激元等的状态改变。常见的三阶非线性光学材料有:①各种惰性气体,通常用于产生光学三次谐波、三阶混频,以获得紫外波长的相干光。②碱金属和碱土金属的原子蒸气,如Na、K、Cs原子及Ba、Sr、Ca原子等,通常用于产生共振的三阶混频、受激喇曼散射、相干反斯托克斯喇曼散射等效应(见受激光散射),以实现激光在近红外、可见及紫外波段间的频率变换及频率调谐。③各种有机液体及溶液,如CS2、硝基苯、各种染料溶液等,这些介质由于有较大的三阶非线性极化率,常用来进行各种三阶非线性光学效应的实验观测,例如光学克尔效应、受激布里渊散射、简并四波混频及光学位相复共轭效应、光学双稳态效应等都曾先后在这类介质中进行过实验研究。④在液晶相及各向同性相中的各种液晶。由于液晶分子的取向排列有较长的弛豫时间,故液晶的各种非线性光学效应有自己的特点,引起人们特殊的兴趣。例如曾用以研究光学自聚焦及非线性标准具等效应的瞬态行为。⑤某些半导体晶体。最近发现有些半导体,如lnSb,在红外区域有非常大的三阶非线性极化率,适合于做成各种非线性器件,例如光学双稳器件。


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