非线性光学晶体材料

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，入射光的电场强度比介质中原子内的场强小得多。EEP0非线性光学强光入射介质时32EEEP7.2晶体的非线性光学基础tcosEtcosEE2212120020倍频和混频当激光与非线性介质作用，入射光通过介质后，其输出频率较入射频率有所变化，会出现倍频光、和频光与差频光。入射单色强光电场强度tcosEE0tcosEtcosEEEP22002)tcos(EtcosE212200恒定电场基频成分倍频成分])()cos[(])()cos[()](2cos[21)](2cos[21)(21)cos()cos(21212010)2(021212010)2(022220)2(011210)2(0210210)2(022201110)2(021)2(0)2(zkktzkktzktEzktEEEzktEzktEP极化波频率例:和频213传输常数)()()(213333cncnk电磁波213221121)()(cncnkk二、非线性光学过程的相位匹配1.相位匹配条件利用相位匹配技术,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.][21212010t)cos(t)cos(EE入射两种不同频率的强光tcosEE1101)tcosEtcosE(P220110)tcos(E)tcos(E2220121021212121和频成分差频成分tcosEE220221EEE介质除辐射直流、基频和倍频成分，还将辐射频率为和频与差频的光波，称为光学混频。三、光混频与光参量振荡1.光混频2.参量振荡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.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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.非线性光学谐波器件的设计原理晶体的倍频效应按相位匹配模式可分为：共线相位匹配①倍频转换②和频转换非共线相位匹配有效倍频系数:只能进行数值计算通光方向的长度其他特征量：相位匹配参量Δk，允许角宽度ΔθPM非线性光学器件对晶体材料的要求具有大的有效倍频系数宽的透光范围适中的双折射率高的光损伤阈值晶体的光学均匀性晶体的物理化学性质晶体非线性光学效应结构与性能相互关系的研究方法键参数法：晶体的宏观倍频系数是晶体中每种化学键所产生的微观倍频系数的几何叠加。对于每种化学键，他们共引入两个微观倍频系数参量，即β//和β⊥，分别代表平行于每个键的微观倍频系数参量和垂直于每个键的微观倍频系数参量。键电荷模型晶体的线性和非线性极化率主要是由于A-B两个原子中键电荷g在外光频电场作用下，作非中心对称运动的结果。分子轨道法非线性光学晶体材料分子设计方法几种重要的非线性光学晶体红外非线性光学晶体分类：由四面体基团构成的二元或三元化合物由MX3三角锥形基团构成的化合物单质深紫外非线性光学晶体KBBF晶体SBBO族晶体LBO族晶体LBO晶体CBO晶体CLBO晶体KTP晶体BBO晶体KDP族晶体KDP晶体DKDP晶体铌酸盐晶体KNbO3晶体LiNbO3晶体MgO：LiNbO3晶体非线性光学晶体的应用扩展激光的波长覆盖范围为了提高谐波转换效率经常采用的三种方法：外共振腔技术内共振腔技术准相位匹配技术Nd基型激光器的倍频KTP晶体LBO晶体Nd：YAG激光的三、四、五倍频器件LBO晶体CBO晶体BBO晶体Ti：sapphire的倍频器件LBO晶体BBO晶体深紫外谐波光的器件KBBF晶体CLBO晶体KABO晶体准相位匹配谐波器件LiNbO3晶体KTP晶体