非线性光学材料

非线性光学材料

物理科学与技术学院

物理学类

胡健

2010301020087

【摘要】：本文主要介绍非线性光学材料的发展历程，种类，特征，即非光学性，并展望了非线性光学材料的发展前景，和它在科研项目中所发挥的作用。

【关键字】：非线性光学材料，共振非线性，非共振非线性，非线性系数。

一、非线性光学的由来：

非线性光学材料起步的时间较短。在1961年Franken等用红宝石光束通过石英晶体时，观察到倍频效应。1962年Bloembergen等创立了光波混频理论，这就是非线性光学的的诞生。进而产生非线性光学材料。它指一类受到外部光场、电场和应变场的作用，频率、相位、振幅等发生变化，从而引起折射率、光吸收、光散射等变化的材料，能够进行光波频率转换和光信号处理，比如利用混频现象实现对弱光信号的放大、利用非线性响应实现光记录和运算功能等，因此在激光、通讯、电子仪器及医药器材等领域有重要的应用价值。

二、非线性光学的种类

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，这是因为这些性质只有在

激光的强相干光作用下表现出来的，通过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和入射光频率不同的激光，从而达到光频率变换的目的，因此对非线性光学材料的确立就有了以下的依据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。

对非线性光学材料中最为实用的进行简单介绍：

（1）、半导体材料

在电子学中，半导体材料有着极为广泛的用途，通过引入少量的掺杂，就会极大地改变其光学性能，从而满足对半导体材料的不同性能的要求。半导体材料的三阶非线性光学效应表现为与强度相关的反射率和吸收系数。从微观结构来讲，这些效应广义地分类为共振非线性和非共振非线性。当光子能量接近于半导体的基础吸收限时，由光子激发产生载流子，从而产生共振非线性，当光子能量远低于基础吸收限时，产生非共振非线性。半导体材料非线性光学效应的反应速率与产生非线性的机理密切相关。反应最快的非线性光学过程是光电辐射与束缚电子之间的非共振作用，这些与光子作用的电子占据了外层电子壳

层，处于价带状态，用经典理论来描述，这种相互作用可理解为强光光场在束缚电子的振动中产生了非谐振的成份。用量子力学的理论解释，这是能级间的电子转移导致的。

一般情况下，半导体材料的非线性折射率系数2n 的数值范围为

1718210~10/m W --，对于GaAl/GaAlAs 多量子阱结构则可以达到16210/m W -。在半导体材料中，即使只有较少的自由载流密度，也可以引起较大的吸收系数和热系数变化。所以人们采用间隔短、能量高的脉冲以确保n ?（热）小于n ?（电），这样增加了窄带材料的双光子吸收的可能性，大大限制了这类材料在近红外区域的应用，如果将半导体材料分散在玻璃基体中组成复合材料，非线性光学性能将得以增强，并且制作容易，成本廉价。

（2）、有机材料

自1975年以来，人们大量研究有机材料二次非线性性能。根据极化理论，光学非线性介质的极化强度P 可用下述方程描述： (1)(2)2(3)3...P E E E χχχ=+++

宏观非线性系数(1)

χ为i+1阶张量。与此类似，对于单个分子的极化，其分子极化强度P 可用下式表示

23...P E E E αβγ=+++ α、β、γ分别为二阶、三阶和四阶张量。由于有机介质是由单个的分子单元组成，一般来讲，分子间的作用力（范德华力）远远小于分子内的作用力。故材料的非线性光学性能可以近似的认为是由单个分子性能的张量考虑取向因子，分子体积以及局部场效应之后的和，由