7章-非线性光学晶体材料1.

第七章非线性光学晶体材料一、非线性光学现象线性光学光与介质相互作用，入射光的电场强度不太大非线性光学强光入射介质时)3()2()1()3()2()1()2()1()1(lEkEjEijklkEjEijkjEijiP7.2晶体的非线性光学基础jjEiPij3,2,1,ji)()(),,()(21321)2(,3)2(kjijkkjiEEP二次项])()cos[(])()cos[()](2cos[21)](2cos[21)(21)cos()cos(21212010)2(21212010)2(22220)2(11210)2(210210)2(22201110)2(21)2()2(zkktzkktzktEzktEEEzktEzktEP其中,和频3=1+2差频3=1-2倍频1=2=时,3=1+2=2光整流3=1-2=0二次极化波频率例:和频213传输常数)()()(213333cncnk二次谐波213221121)()(cncnkk二、非线性光学过程的相位匹配1.相位匹配条件基频光、二次极化波、二次谐波的频率与速度利用相位匹配技术,可使0)()()()(221133213cncncnkkk对倍频,上式变为)()2(nn2.实现相位匹配的途径(1)角度相位匹配:负单轴晶球面:o光折射率面实线:基频光虚线:倍频光椭球面:e光折射率面实线:基频光虚线:倍频光M点:o光基频光与e光倍频光折射率交点PM方向:相位匹配方向M:相位匹配角)()2(12nnoMenn12)(两种匹配类型:o+o=e(ooe型)------Ⅰ类相位匹配或平行式匹配o+e=e(oee型)------Ⅱ类相位匹配或正交式匹配(2)温度相位匹配•对于某些非线性光学晶体,如铌酸锂、磷酸二氢钾等,它们的e光折射率随温度的变化比o光的折射率快得多,利用这一特性,在M=90o条件下,就有可能通过适当地调节温度来实现相位匹配.•角度相位匹配存在的问题:•分类:M=90o------非临界相位匹配;M=90o------临界相位匹配•不是所有的非线性光学晶体都有可能实现90o的相位匹配.三、光混频与光参量振荡1.光混频)2()1()2,1,3()2()3()2()21()2(kEjEijkiPiP和频或频率上转换时,213差频或频率下转换时,2132.参量振荡：利用差频当一束频率为的强激光p(称为泵浦光)射入非线性光学晶体时,若再在晶体中加入频率远低于p的弱信号光(频率为s),由于差频效应,晶体中将产生频率为p-s=i(称为空载频率)的极化波,从而辐射出频率为i的光波,当此光波在晶体中传播时,又与泵浦光混频,便产生频率为p-i=s的极化波,进而辐射出频率为s的光波.目的:使信号光波的功率得到放大四、晶体的电光效应•概念:在外加电场的作用下引起晶体折射率发生变化的效应.•某些晶体上加电场后,将改变光在晶体中传播时所表现的各向异性特性.•感应双折射:由外加电场引起的双折射现象.•原因:外加低频电场作用时改变了介质内电子极化引起的.zooxEnnn63321'zooyEnnn63321'加电场后的折射率zoxyEnnn633''通过长为l的晶体后的相位差VnlEnlnnozoxy63363322)(2''半波电压63322onV线性电光效应或Pockels效应:相位差与电压V成正比二次电光效应或Kerr效应:一些具有对称中心的晶体和液体在外电场作用下的感应折射率差与电场强度的平方成正比2Ekn五、晶体的光折变效应光折变效应的基本过程：①光频电场作用于光折变晶体时，光激发电荷并使之转移和分离；②电荷在晶体内转移和分离，引起电荷分布改变，建立起空间电场；③空间电荷场通过晶体的线性电光效应，致使晶体的折射率发生变化。五、晶体的光折变效应光折变效应的特点:(1)在一定意义上说,光折变效应与光强无关.入射光的强度只影响光折变过程进行的速度.(2)非局域响应,通过光折变效应建立折射率相位光栅需要时间,它的建立不仅在时间响应上显示出惯性,而且在空间分布上也是非局域响应的,即折射率改变最大的地方并不对应于光辐射最强处.五、晶体的光折变效应影响光折变晶体实用化的因素:(1)光折变晶体的各项性能还不能满足制作器件的要求.如响应速度慢或增益低等(2)对光折变的微观过程与形成机制还缺乏深入了解.(3)光折变晶体生长还存在薄弱环节.(4)晶体的后处理对光折变性能的影响等.五、晶体的光折变效应光折变晶体的重要性能参数:(1)光折变灵敏度两种标定方法:Ⅰ.晶体的一定折射率改变所需要的入射光的能量.Ⅱ.在光存储中厚度为1mm的晶体达到1%的衍射效率时所吸收的能量.(2)光折变动态范围指光场可导致的折射率变化的最大范围,它决定着一定厚度的晶体中可实现的最大衍射效率,及在一定体积内所能记录的不同全息光栅的数目.(3)光折变效应的响应时间(4)光折变效应的分辨率7.3非线性光学晶体材料一、概述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,而且相位匹配的角度宽容度和温度宽容度要大,如果能够实现非临界相位匹配或通过温度调谐等方法实现非临界相位匹配则更好.(三)足够高的抗光损伤阈值.(四)良好的化学稳定性,不易风化,不易潮解,在较宽的温度范围内无相变,不分解,以保证能在没有特殊保护的条件下长期使用.良好的力学性能使晶体易于切割抛磨,镀覆各种光学膜层,制作各种实用器件,也是十分重要的.1.激光频率转换晶体的性能要求①晶体的非线性光学系数要大;②晶体能够实现相联系位匹配,最好能实现90最佳相位匹配;③透光波段要宽,透明度要高;④晶体的激光损伤阈值要高;⑤晶体的激光转换效率要高;;⑥物理化学性能稳定,硬度大,不潮解,温度变化带来的影响要小;⑦可获得光学均匀的大尺寸晶体;⑧晶体易于加工,价格低廉等.2.电光晶体3.光折变晶体7.4非线性光学晶体的应用一、激光变频晶体的应用1.二次谐振波(倍频)发生Nd3+:YAG,1.064m0.532m2.和频发生3.差频发生4.光参量振荡5.光参量放大二、电光晶体的应用1.电光调制器2.电光开关3.电光偏转三、光折变晶体的应用自泵浦相位共轭效应的应用