非线性光学晶体目录物联网基本概念非线性光学010203相位匹配非线性光学现象非线性光学晶体材料04我国先进技术05非线性光学•所谓线性光学，其最大的特点就是不改变光的频率、不与介质发生能量交换。那根据此就可以推断出，会发生能量交换、会改变频率的就是非线性光学。•相位匹配的物理本质（以倍频为例，就是光的频率翻倍）是让基频光在晶体中传播，然后沿途激发出倍频光，由于相速度相同，所以相位是一致的，这样沿途激发的倍频光可满足干涉条件，从而极大地增强倍频光的光强。•而要观察到非线性的光学效应，就需要相位匹配。相位匹配图1中实线圆圈表示o光，虚线椭圆表示e光，其实就是o光在各个方法的传播速度是一致的，e光的传播速度是不一样的。当然，不同频率的光在材料中传播的传播速度也是不一样的，图中绿色的是倍频光，红色的是基频光，我们的目的是用基频光来产生倍频光，所以这里面最基本的做法就是选择交点A的方向，这样基频光的o光就可以产生倍频光的e光，小圆变大椭圆，从本质上来说就是用2个基频光o光光子来转化成1个倍频光的e光光子。前面这种方式的相位匹配方式，我们称之为第Ⅰ类匹配，这一类取的是基频光的同偏振光（即o光，或者e光，如果椭圆在外面，那就是反一下的，这样就变成正单轴晶体了）。第Ⅱ类匹配是取基频光的不同偏振光。图2红色的圆，对于特定频率的光，e光折射率和o光折射率是固定的，所以必定可以找出这么一个点，使得有蓝色的圆与绿色虚线椭圆相交，这个方向就是第Ⅱ类匹配的入射光角度，其本质就是1个基频光e光和1个基频光o光转化成倍频光e光。并不是所有的材料在强激光的作用下都会产生非线性光学现象。这就意味着如左图的正单轴晶体（例如石英晶体）在该情况下不会发生非线性效应，无论哪个入射角度都不行。这里需要说明一点：非线性并不一定是倍频，讲高次谐波会更合适一点。还可以用温度的方法来实现相位匹配。因为不同温度条件下，材料的折射率是不一样的，而且o光和e光的折射率变化程度也是不同的，所以我们就可以让上图在某个温度条件下变成这个左图。这样就能实现非线性效应了，而且90°的相位匹配方式可以提高非线性的转换效率。非线性光学现象•倍频•我们常说的倍频，其实用高次谐波表示更恰当。其实就是用频率为ω的激光，入射到非线性晶体上，产生2ω、3ω、4ω等高频激光。•光学混频•所谓混频就是用频率为ω1和频率为ω2的激光，经过非线性材料后产生ω2-ω1的差频和ω2+ω1的和频，所以有时候我们也叫做四波混频，用这种方式就可以拓展电磁波的光谱范围。当然，还有一种反着来的方式，就是用参量放大的形式，把频率为ω3的激光分解为ω1的信号光和ω2的闲频光，通过这种方式可以用来得到一般激光器不能产生的激光波长。非线性光学晶体材料•1.激光频率转换(变频晶体)•(1)红外波段频率转换晶体•黄铜矿结构型晶体:AgGaS2;AgGaSe2;CdGeAs2等•特点:非线性光学系数很大,但能量转换效率不高,受晶体光学质量和尺寸大小的限制,得不到广泛应用.•(2)从可见光到红外波段的频率转换晶体•磷酸盐:磷酸二氢钾(KDP)结构型晶体和磷酸钛氧钾(KTP)型晶体•KDP特点:具有优良的压电、电光和频率转换性能,易生长,得到广泛应用.•KTP特点:频率转换的“全能冠军”材料•碘酸盐晶体:-碘酸锂;碘酸;碘酸钾等•铌酸盐晶体:铌酸锂;铌酸钾;铌酸锶钡等•(3)紫外波段的频率转换晶体•偏硼酸钡(BBO)晶体:倍频系数大,倍频阈值功率高,能在较宽的波段内实现相位匹配,激光损伤阈值高,物理化学性能稳定.•三硼酸锂(LBO)晶体:透光波段宽,非线性光学系数大,激光损伤阈值最高的非线性光学晶体材料.•LAP晶体:非线性光学系数大,紫外三倍频和四倍频转换效率高,可制多频率转换器.•2.电光晶体•磷酸二氘钾;铌酸锂;钽酸锂;氯化亚铜等•特点:能满足综合性能要求的晶体很少,有待于进一步探索新型晶体.•3.光折变晶体•钛酸钡;铌酸钾;铌酸锂等•特点:仍需要寻找具有光折变灵敏度高,响应速度快,衍射效率高等特点的新型光折变晶体材料.•二、非线性光学晶体应具备的性能•(一)大的非线性光学系数•(二)适当的双折射率,能够在应用的波段区域内实现相位匹配,而且相位匹配...
