三阶非线性光学材料

二次的非线性极化
1和2的两束光 耦合作用：
当1 =2 =，3 =1＋2 =2时，所产生的谐波称为倍频光； 当3 =1＋2时，所产生的谐波称为和频 统称为混频； 当3 =1－2时，所产生的谐波称为差频 当3 =1－2 =0时，产生直流电极化称为光整流。
硫系玻璃：由于阴离子硫对氧的替换，其
比氧化物玻璃为大， 且是迄今为止所报导的具有最大 (3) 的非共振型玻璃 （ (3) 最高接近 10-10 esu）。不过由于硫属玻璃的本征吸收最小值位于4—6um (硅酸盐玻璃位 于～1um)，显然在1.06um波长测得的(3)有相当部分属于共振吸收分量。 为了减少这种影响，曾对一系列硫属玻璃进行过～2um的(3)测试，也很 难排除共振吸收对测量值的影响。
非线性光学材料内（ijk )
一般只产生在有对称晶格的各向异性介质中
材料的三阶非线性
ijkl 1、2和3的三束光 耦合作用：
非线性光学材料内（
)
当出现第四种频率4的极化波， 进而辐射出4 1 2 3的光波现象称为四波混频； 当基频波1 2 3 时，4 3 , 此效应称为三倍频效应，
非线性光学
非线性光学: 强激光与物质相互作用 强光和弱光的划分: 比较 E与 E’ 的大小 E: 光场的强度 E’: 组成物质的分子或原子内部的平均电场强度 普通光源的光,
E 1 线性关系 E'
光学参量与振荡, 自聚焦,
强激光，E与 E’可比拟, 光场与物质作用的非线性关系明显.
如光学倍频和混频,
n2 (esu) K '
G(h / Eg )
4 n0 Eg
用间接跃迁光学带隙 Eopg进行计算，能够得到比 较好的拟合结果。
0.08 0.06
理论曲线
Bi2O3-B2O3-TiO2
G, n0n2Eopg/K'
0.04 0.02 0.00 -0.02 -0.04
4
0.0
0.2
0.4
h/Eopg
式中 j、 k、 l 分别为电场E j、Ek、El 对应的角频率， 右边第一项表示线性光学效应； 第二、第三项分别表示二次、三次非线性光学效应。
产生 二次非线性极化 二次谐波、和频、差频和光整流等过程； 产生 三次非线性极化 三次谐波、四波混频、受激散射
和光致折射率变化效应等现象，
1
4
2
10
4
阳离子极化率
阳离子 极化率A3 阳离子 极化率A3 P5+ 0.021 Na+ 0.175 B3+ 0.002 K+ 0.818 Si4+ 0.033 Ti4+ 1.919 Mg2+ 0.088 V5+ 0.123 Te4+ 1.595 Nb5+ 1.035 Sb3+ 1.111 Ta5+ 0.975 Bi3+ 1.508 W6+ 0.145 Pb2+ 3.623 Mo6+ 0.165
钛宝石 可调谐 飞秒 激光器 探测器1
双通道功率计
Z
样品
小孔
探测器2 全反镜 半反半透 分光镜 双凸镜
平台
步进马达控制器
三阶非线性Z扫描测试系统原理图
Z扫描测量的基本原理
凸透镜 样品
小孔
激光源
半反 镜
接收 器2
接收器1
-Z 0
+Z
泵浦探测技术测量材料的 三阶非线性性能
超快激光光谱学
研究材料在超短脉冲激发后某些特性随时间变化的快慢。
自聚焦和自散焦
有着中间光强，两面光 弱的高斯型光束，使介质 的折射率在横截面上也产 生了相应的变化，即自聚 焦和自散焦过程。
自散焦
自聚焦
两种非线性吸收
价带
光 子 带 隙 光 子
价带
激发态
中间虚 能级
带 隙
导带
反饱和吸收（多光子吸收）
导带
饱和吸收（电子弛豫时间 Biblioteka 大于激光脉宽）Z扫描实验装置
应用了材料自聚焦和自散焦以及非线性吸收的原理，Z扫描实验装置成为了测量 光学均匀材料非线性折射率n2和非线性吸收系数β的有力工具。
• 荧光强度、波长分布随时间的变化 • 吸收随时间的变化 • 折射率随时间的变化
常用探测器的响应时间，时间分辨率：
• 光电探测器 光电二极管： >1ns（载流子产生, 迁移, 复合） 光电倍增管：~ ms, 光电子多级放大 热释电探头： > 1ms • 高速示波器 100-500MHz - -10-2 ns
3） 由Pi3（ 辐射出的光波称为三次谐波。
又通过ω = ω – ω + ω的简并四波混频，得到频率仍然是ω的三阶极化 P(ω)(3)： 2 1 3 P 0 3 , , , E E
L / 24 Ni a3 i
式中 L为与材料的微观局部电场和宏观可测电场有关的因子；i为组分 序号；N为i组分的离子浓度。
另外，材料的三次极化张量(3)大致随其线性折射率no的增加而提高， 并导出了表示两者之间关系的经验公式。
esu
3
1 0
10 n 1
• 条纹相机
0.5~2ps
当被研究的过程的变化速度小于探测器的响应时，可以实现单 次激发的测量。
T
探测光一般采用（准）连续光。
pump
Sample
t
单色仪 探测器
probe
ns过程: 光电探头+高速存储示波器，直接记录随时间的变化曲线 ~2ns （示波器由激光脉冲外触发，扫描出一条探测光强度随时间变化的 曲线，并存储起来） ps过程: 条纹相机 0.5~2ps
n0 1
1
n n0 n2 E n0 I
光致折射率变化效应：
折射光 入射光
折射光
强入射光
原子核
原子核 畸变的核外电 子层
中间能级
核外电子层
导带
光子×2
γ
禁带 双光子吸收过程
Lock-in 输入信号 参考频率 功能：将输入信号进行傅立叶变换分解，并滤出含有 参考频率的成分，作为输出信号。
使用锁相放大器，提高信号的灵敏度
通常泵浦-探测信号很弱（三阶非线性效应），探测光强度的相对变化量通 常在0.01~1%范围。因而信号容易被探测光的强背景所掩盖。 斩波器以固定频率调制泵浦脉冲，引起样品吸收周期性的变化，锁相放 大器检测出含有这个频率的信号。可扣除探测光的强背景，大大提高灵敏度。 最高可达几个数量级。 Chopper
(3)
含有金银微粒的玻璃非线性材料：
含有金或银的透明材料具有很高的三阶非线性极化率(3) 。这是由 于其表面等离子体振子(surface plasmon)的激发引起局部场强的增加所致。 局部场强的增加与基体的介电常数和所含金属粒子有关，因此基体对材 料的非线性光学性质起着重要作用。
激光激发
Z扫描装置测量材料的 三阶非线性性能
材料的光学非线性及其测量
姓名：陈飞飞
材料光学非线性 的一般原理
材料的非线性极化
光与材料的相互作用：
入射光波电场 材料的原子或分子体系 感生电偶极矩并进而辐射电磁波
材料的非线性极化：
强光场或其它外加场的扰动 材料的原子或分子内电子的运动
除线性振动外还受到偏离线性的附加扰动， 材料的电容率变为时间或空间的函数， 材料的极化响应与光波电场存在非线性关系。
表2 几种低折射率玻璃的光学性能
玻璃 BeF2（氟化铍） Fluoroberyllate B-102（铍酸氟） Fluorophosphate E-115（磷酸氟） 48.5BeF2 ,26.7KF ,13.8CaF2 , 9.9AlF3,1.1NdF3 17.9Al(PO3) 3 ,54.2NaF , 26.9Ca2 ,1.0NdF3 化学组成mol(％) no 1.28 1.34#
T
pump
Sample
Slow detector
t
probe Lens Delay
探测光也是超短脉冲，在一定的相对延时t下，探测器 只记录该时刻的探测光强。（曲线上的一点） 改变泵浦和探测脉冲的相对延迟时间，逐点记录，得到 时间分辨的光谱
锁相放大器---微弱信号测量的有力工具
能检测强背景下的弱信号
光学相位共轭,
光的受激散射, 光致透明, 多光子吸收...
材料的非线性极化
材料的非线性光学效应：
强光场或其它外加场的扰动 非线性极化引起材料光学性质的变化，
导致不同频率光波之间的能量耦合，
从而是入射光波的频率、振幅、偏振及传播方向发生改变。
材料由较弱光波电场E j引起的电极化强度Pi满足线性关系： Pi 0 ij E j
γ
α
τ
表1 几种非线性光学材料的性能
材料 GaAs/GaAlAs （半导体） Polydiacetylenes （有机聚合物） Glass（玻璃）(Pb Glass, Ti Glass)
γ
(m W ) 10-8 10-15 10-18
2
-1
α (cm-1) 103 10 10-2
品质指数 F 102 104 105
式中 ij为极化率， 0为真空电容率。
材料的非线性极化
材料由较强光波电场E （激光）引起的电极化强度Pi满足非线性关系：
（1） （2） Pi 0 E E j j Ek k ijk ij j j
（3） E j j Ek k El l ijkl
飞秒过程 其变化速度远大于探测器的响应速度