- 信息材料课件-非线性光学晶体材料 [兼容模式].pdf

《- 信息材料课件-非线性光学晶体材料 [兼容模式].pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《- 信息材料课件-非线性光学晶体材料 [兼容模式].pdf（36页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、非线性光学材料非线性光学材料Nonlinear Optical Materials光电技术学院光电技术学院主要内容主要内容?非线性光学基本概念及其应用非线性光学基本概念及其应用?非线性光学晶体材料非线性光学晶体材料?其它非线性光学材料其它非线性光学材料非线性科学非线性科学（量子力学量子力学、相对论相对论）非线性科学非线性科学，目前有六个主要研究领域目前有六个主要研究领域，即即：?混沌混沌(Chaos)?孤子波孤子波（Soliton）?分形分形（Fractal）?模式形成模式形成（Pattern formation）?元胞自动机元胞自动机（Cellular automata）?复杂系统复杂系统(

2、Complex system)线性和非线性线性和非线性(数学和物理上)目前发展起来的非线性物理学科包括目前发展起来的非线性物理学科包括：*非线性光学非线性光学（Nonlinear Optics）*非线性声学非线性声学（Nonlinear Acoustics）*非线性动力学非线性动力学（Nonlinear Dynamics）*量子混沌量子混沌(Quantum Chaos)1 1、研究范畴研究范畴极化响应过程极化响应过程辐射过程辐射过程介质对光场的响应呈线性关系：线性光学线性光学介质对光场的响应呈非线性关系：非线性光学非线性光学)()(tPtErr非线性光学非线性光学是研究强光与物质相互作是研究强

3、光与物质相互作用过程中出现的各种新现象和新效应用过程中出现的各种新现象和新效应光物质)(tEr光)(tPr介质极化辐射)(tEr各种非线性光学现象各种非线性光学现象)(Pr各光波间能量的转换各光波间能量的转换耦合波方程耦合波方程光与物质相互作用的机理光与物质相互作用的机理光与物质相互作用的机理光与物质相互作用的机理当光照射物质时当光照射物质时，光波电磁场将对物质中的电子产生作用光波电磁场将对物质中的电子产生作用，在外电场在外电场的作用下的作用下，介质原子成为电偶极子介质原子成为电偶极子。电偶极子将随光波的电磁场的变化产电偶极子将随光波的电磁场的变化产生振荡生振荡。+原子的电极化原子的电极化：负

4、电荷中心与正电荷中心产生偏离的状态负电荷中心与正电荷中心产生偏离的状态。若光波随时间作正弦变化若光波随时间作正弦变化，即它的电场强度沿两个相反方向交替即它的电场强度沿两个相反方向交替变化变化，电偶极子的负电荷中心将绕正电荷中心作周期性振荡电偶极子的负电荷中心将绕正电荷中心作周期性振荡。表征电表征电偶极子的物理量是偶极子的物理量是电偶极矩电偶极矩。NqrP=当光与物质相互作用时当光与物质相互作用时，光场中的电场强度使介质原子因感应而光场中的电场强度使介质原子因感应而产生电偶极矩产生电偶极矩，电偶极矩叠加起来形成电偶极矩叠加起来形成电极化强度电极化强度。电极化强度产电极化强度产生极化场生极化场，极

5、化场发出次级辐射极化场发出次级辐射。其中其中，(1)为线性极化率为线性极化率，(2)和和 (3)是二阶是二阶，三阶非线性极化三阶非线性极化率率。对于对于各向异性介质各向异性介质，(n)为为（n+1）阶张量阶张量，张量元一般为张量元一般为复数复数，实部对应实部对应介质的折射率介质的折射率，虚部对应虚部对应介质的吸收介质的吸收NLPPPPPEEEEEEPrrLrrrLrrrMrrrrrrr+=+=+=)1()3()2()1()3(0)2(0)1(0 :EPrrr=0其中其中，0为真空介电常数为真空介电常数，为线性极化率为线性极化率?强激光入射介质强激光入射介质（远离介质共振区远离介质共振区），可以

6、采用下面的级数可以采用下面的级数形式表示形式表示?普通光入射介质普通光入射介质，对应极化强度与入射光场的关系对应极化强度与入射光场的关系极化响应的过程极化响应的过程atnnEEPPvrvv)()1(+原子内的平均电场强度原子内的平均电场强度的大小的大小（101011 11 V/mV/m）?弱光下弱光下，二阶以上非线性极化强度可二阶以上非线性极化强度可忽略忽略?强光下强光下，二阶以上非线性极化强度不可二阶以上非线性极化强度不可忽略忽略atEE atEE 由非线性光学理论可以证明由非线性光学理论可以证明Lrrrr)3()2()1(PPPP+=?激光技术激光技术催生非线性光学的出现并推动了其催生非线

7、性光学的出现并推动了其发展发展。线性光学线性光学：若介质对光的响应是呈线性关系若介质对光的响应是呈线性关系，在线在线性范畴内光在介质中的传播满足独立传播原理和线性性范畴内光在介质中的传播满足独立传播原理和线性叠加原理叠加原理非线性光学非线性光学：若介质对光的响应是呈非线性关系若介质对光的响应是呈非线性关系，在非线性范畴内光在介质中的传播产生新的频率在非线性范畴内光在介质中的传播产生新的频率，不不同光波之间会耦合同光波之间会耦合，独立传播原理和线性叠加原理不独立传播原理和线性叠加原理不成立成立线性光学线性光学非线性光学非线性光学单束光在介质中传播单束光在介质中传播，通过干涉通过干涉、衍衍射射、折

8、射可以改变空间能量的分布和折射可以改变空间能量的分布和传播方向传播方向，但与介质不发生能量的交但与介质不发生能量的交换换，不改变光的频率不改变光的频率某一频率的入射光某一频率的入射光，可通过与介质的相可通过与介质的相互作用转换成其它频率的光互作用转换成其它频率的光（如倍频如倍频），还可以产生一系列在光谱上周期分布的还可以产生一系列在光谱上周期分布的不同频率和光强不同频率和光强（受激拉曼散射受激拉曼散射）多束光在介质中交叉传播多束光在介质中交叉传播，不发生能不发生能量相互交换量相互交换，不改变各自的频率不改变各自的频率多束光在介质中交叉传播多束光在介质中交叉传播，可能发生能可能发生能量相互转移量

9、相互转移，改变各自频率或产生新的改变各自频率或产生新的频率频率（三波和四波混频三波和四波混频）光与介质相互作用光与介质相互作用，介质的物理参量介质的物理参量只是光频的函数只是光频的函数，与光场强度变化无与光场强度变化无关关光与介质相互作用光与介质相互作用，介质的物理参数如介质的物理参数如极化率极化率、吸收系数吸收系数、折射率等是光强的折射率等是光强的函数函数（非线性吸收和色散非线性吸收和色散、光克尔效应光克尔效应和自聚焦和自聚焦）光束通过光学系统光束通过光学系统，入射光强与透射入射光强与透射光强之间一般成线性关系光强之间一般成线性关系光束通过光学系统光束通过光学系统，入射光强与透射光入射光强与

10、透射光强之间呈非线性关系强之间呈非线性关系，从而实现光开关从而实现光开关（光限幅光限幅、光学双稳光学双稳、各种干涉仪开关各种干涉仪开关）多束光在介质中交叉传播多束光在介质中交叉传播，各光束的各光束的相位信息彼此不能相互传递相位信息彼此不能相互传递光束之间可以相互传递相位信息光束之间可以相互传递相位信息，而且而且两束光的相位可以互相共轭两束光的相位可以互相共轭（光学相位光学相位共轭共轭）发展历史发展历史（三阶段三阶段）?1906年泡克耳斯发现线性电光效应年泡克耳斯发现线性电光效应；?1929年克尔发现二次电光效应年克尔发现二次电光效应。?由于缺乏光学频段非线性研究的必要条件由于缺乏光学频段非线性

11、研究的必要条件，光学非线性的研究一直停滞不前光学非线性的研究一直停滞不前。?非线性光学发展成为今天这样一门重要学非线性光学发展成为今天这样一门重要学科科，应该说是从应该说是从激光激光出现后才开始的出现后才开始的。红宝石滤光片石英晶体694.3nm347.15nm底片19611961年年年年FrankenFranken等人在等人在等人在等人在MichigenMichigen大学的实验大学的实验大学的实验大学的实验光学光学光学光学倍频倍频倍频倍频实验实验。实验实验。非线性光学这个新学科的出现非线性光学这个新学科的出现！非线性光学这个新学科的出现非线性光学这个新学科的出现！1 1）非线性光学的早期非

12、线性光学的早期1010年年（19611961-19701970）?1961，红宝石激光倍频(SHG)（标志非线性光学真正诞生）?随后发现了几种非线性光学的基本现象和各种瞬态光学效应：和频、差频、参量振荡；受激拉曼散射、受激布里渊散射、相干（反）斯托克斯；光子回波、光学章动、光学自感生透明；自聚焦、自相位调制、光学相位共轭?1965年，Bloembergen等人出版Nonlinear Optical phenomena一书，基本建立了以非线性介质极化和耦合波方程组为基础的非线性光学理论12 +1 2 1 2 1962 1962 光学和频光学和频光学和频光学和频19651965年年：光学参量放大和

13、振荡光学参量放大和振荡年年：光学参量放大和振荡光学参量放大和振荡ips =s p s p 2 2）非线性光学研究全面深入的非线性光学研究全面深入的2020年年（19711971-19901990）?发现新的非线性光学效应：四波混频、光克尔?展开各种非线性光学效应的应用研究：扩展激光波长的范围和发展各波段连续可调谐技术;发展非线性光学共轭技术及应用;以光计算和光电子技术为应用背景，出现了各种光学双稳的方案和装置。?与材料研究紧密结合（非线性光学晶体BBO,LBO/半导体超晶格/量子阱/有机聚合物）?1984年，沈元壤出版The Principles of Nonlinear Optics一书3

14、3）2020世纪世纪9090年代以来的研究进展年代以来的研究进展?利用新型的非线性光学晶体,制作在宽广波长范围可调谐的连续或 ps、fs 脉冲光学参量振荡器及光学参量放大器。?和超快过程密切结合：发展超短脉冲光作用下的非线性光学。发展用于研究物质中各种超快过程的研究（光生物学、光化学）。?发展薄膜、光纤和光波导中非线性光学特性及其应用方面的研究。光孤子通信、光存储。4 4）非线性光学研究的未来发展趋势非线性光学研究的未来发展趋势非线性非线性非线性非线性光学规光学规光学规光学规律研究律研究律研究律研究的发展的发展的发展的发展趋势趋势趋势趋势研究对象从稳态过程转向动态；所用光源从连续、宽脉冲转向纳

15、秒、皮秒、飞秒甚至阿秒超短脉冲；从强光非线性研究到弱光非线性研究；从基态激发态跃迁非线性光学研究转向激发态更高激发态跃迁非线性光学研究；从研究共振峰处的现象转向研究非共振区的现象；从二能级模型研究转向多能级模型；研究物质的尺度从宏观尺度（衍射光学），到介观（纳米）尺度（近场光学），再到微观尺度（量子光学）。非线性非线性非线性非线性光学材光学材光学材光学材料研究料研究料研究料研究的发展的发展的发展的发展趋势趋势趋势趋势从晶体材料到非晶体材料；从无机材料到有机材料；从对称材料到非对称材料（手性材料）；从单一材料到复合材料；从高维材料到低维材料，如从三维的体块材料到二维的表面、薄膜材料；从宏观材料到

16、纳米材料，如半导体量子线和量子点、光子晶体以及纳米管、纳米球和团簇材料。非线性光学的应用价值和科学意义非线性光学的应用价值和科学意义1 1）提供了产生强相干光辐射并扩展其波段的新手段提供了产生强相干光辐射并扩展其波段的新手段；2 2）解决激光技术本身提出的一些课题解决激光技术本身提出的一些课题；5 5）是促进基础理论发展的一种动力是促进基础理论发展的一种动力。3 3）提供了一批新方法和新技术提供了一批新方法和新技术；简并四波混频产生相位共轭波简并四波混频产生相位共轭波；采用非线性饱和吸收调采用非线性饱和吸收调Q Q开关和锁模开关和锁模；采用采用双光子吸收检测超短脉冲的脉宽双光子吸收检测超短脉冲

17、的脉宽；光学击穿用于触发快速火花隙电开关光学击穿用于触发快速火花隙电开关；采采用强光自相位调制和自加宽效应产生超连续谱用强光自相位调制和自加宽效应产生超连续谱；采用自相位调制可用光纤中采用自相位调制可用光纤中产生光孤子产生光孤子。4 4）是认知和了解物质材料的一种重要手段是认知和了解物质材料的一种重要手段；通过强光与物质相互作用的研究通过强光与物质相互作用的研究，可以获得有关物质的组成可以获得有关物质的组成、结构结构、状态状态、能量耦合和转移等材料内部的信息能量耦合和转移等材料内部的信息。它和材料研究紧密相关它和材料研究紧密相关。主要的非线性光学材料主要的非线性光学材料ijkijkl 非线性光

18、学系数(、.)要大；能实现相位匹配（基频光与倍频光）；透光波段要宽，透明度要高；具有较高的抗光损伤阈值和光转换效率；物化性能稳定，硬度大，不潮解，温度稳定性：好。非线性光学材料的性能要求中国非线性光学晶体的发展历史?我国非线性光学晶体材料处于国际领先地位我国非线性光学晶体材料处于国际领先地位，其中其中BBO和和LBO两种晶体为我国所发现并批量生长两种晶体为我国所发现并批量生长，它它们性能优良们性能优良，开创了激光紫外倍频的新纪元开创了激光紫外倍频的新纪元。?世界上第一个世界上第一个“中国牌中国牌”的非线性光学晶体新材料的非线性光学晶体新材料偏硼酸钡晶体偏硼酸钡晶体（BBO）于于1984年问世年

19、问世，这是我们中国人这是我们中国人的骄傲的骄傲，是中国科学院福建物质结构研究所首创的非线是中国科学院福建物质结构研究所首创的非线性光学晶体新材料性光学晶体新材料。(1953年年12月才能生产玻璃月才能生产玻璃)?倍频效率最高倍频效率最高，抗光损伤能力最高抗光损伤能力最高，调谐宽度最宽的优调谐宽度最宽的优质紫外倍频晶体质紫外倍频晶体。?激光器里用的最多的三种类型的非线性光学晶激光器里用的最多的三种类型的非线性光学晶体是体是BBO、LBO和和KTP。打开任何一台高级打开任何一台高级的激光器的激光器，里面用到的非线性晶体不外乎这三里面用到的非线性晶体不外乎这三种种。?各国研究的非线性光学晶体有几十种

20、各国研究的非线性光学晶体有几十种，但真正用但真正用到商品上的就这三种到商品上的就这三种。?前两种是中国前两种是中国（陈创天陈创天）发明的发明的，第三种是美国第三种是美国杜邦公司发明的杜邦公司发明的，但足够大尺寸但足够大尺寸KTP也是在中国也是在中国生长出来的生长出来的。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用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用的需求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，尤其是尤其是结构可以调控结构可以调控以满足不同实际需要的材料以满足不同实际需要的材料，大体可分为三类大体

21、可分为三类：其它非线性光学材料其它非线性光学材料(1)矿物氧化物和铁电单晶矿物氧化物和铁电单晶 这类材料都有这类材料都有良好的光学透过和机械坚硬良好的光学透过和机械坚硬度度主要通过自然界中材料的筛选来满足不同实际需要主要通过自然界中材料的筛选来满足不同实际需要但是但是，这这类类 材料往往材料往往难以批量生长难以批量生长出大单晶出大单晶；(3)(3)有机非线性光学材料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机非线性光学材料发现，如如m m硝基苯胺硝基苯胺、香豆素香豆素、孔雀绿孔雀绿、尿素尿素、苦味酸等苦味酸等，有机晶体在

22、有机晶体在合成和生长方面的特性合成和生长方面的特性使这类材料最有机会使这类材料最有机会成为成为可分子设计可分子设计的光电功能材料的光电功能材料而且而且，有机材料在有机材料在快速非线性光快速非线性光学响应学响应，大尺寸单晶生长大尺寸单晶生长、三次谐波三次谐波产生等方面都极富吸引力产生等方面都极富吸引力。(2)(2)V V族半导体材料族半导体材料 它们在它们在“限制材料限制材料”(Confined(Confined-stuctures)stuctures)方面有很好的前景方面有很好的前景。-V V族半导体材料所谓的族半导体材料所谓的“带隙工程带隙工程”技术技术是通过调节材料的能隙是通过调节材料的能

23、隙，有效地改变电子的跃迁几率有效地改变电子的跃迁几率，从而控制材料从而控制材料的非线性光学响应的非线性光学响应然而然而，这类材料在实际应用中存在这类材料在实际应用中存在共振条件限共振条件限制制，即激光运作波长通常在量子阱激子能级附近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，对光信号直对光信号直接进行切换和处理接进行切换和处理，不必将其转换成电子形式不必将其转换成电子形式。全光学装置所采用的全光学装置所采用的材料必须具备足够材料必须具备足够高的非线性折射率高的非线性折射率和和亚皮秒级亚皮秒级(subpicos

24、econd)(subpicosecond)的的响应时间响应时间。在这方面在这方面光学玻璃光学玻璃具有较大的优势和潜力具有较大的优势和潜力,虽然玻璃的虽然玻璃的非非线性光学折射率线性光学折射率n n2 2要低要低于其它一些有机和半导体非线性光学材料于其它一些有机和半导体非线性光学材料，但但是是，由于玻璃的由于玻璃的吸收系数吸收系数低低，响应时间短响应时间短，因此具有十分优良的综因此具有十分优良的综合品质合品质。全光学装置全光学装置：据报导据报导，现在现在电子元件电子元件的最高分辨力可达到的最高分辨力可达到皮秒级皮秒级(10(10-1212s)s)，然然而而，与尚处于试验阶段与尚处于试验阶段，速度

25、已达到速度已达到飞秒级飞秒级(femtosecond(femtosecond，1010-1515s)s)的的全光学元件全光学元件相比相比，仍要慢仍要慢10001000倍倍。在在激光材料激光材料的研究中的研究中，通常总是希望减小材料的非线性光学效应通常总是希望减小材料的非线性光学效应，以避免由以避免由自聚焦或自散焦自聚焦或自散焦带来的光波面畸变或光致材料损伤带来的光波面畸变或光致材料损伤。与此相与此相反反，对于对于全光学装置材料全光学装置材料来讲来讲，研究的重点则放在提高材料的非线性研究的重点则放在提高材料的非线性光学效应上光学效应上，以便使所需的以便使所需的光源功率光源功率尽可能地降低尽可能地降低，从而达到实用的从而达到实用的目的目的。Thanks!