晶体中的非线性光学效应全解
光学材料中的光学非线性效应
光学材料中的光学非线性效应光学非线性效应是指光在介质中传播时，与介质发生相互作用而引起的光学现象。
与线性光学现象不同，光学非线性效应具有非线性响应特性，可以产生各种有趣的光学现象和应用。
在光学材料中，光学非线性效应是一个重要的研究领域，具有广泛的应用前景。
一、光学非线性效应的基本原理光学非线性效应的基本原理是介质中电子和光场之间的相互作用。
在光学材料中，当光场的强度足够强时，光场会对材料中的电子产生作用力，使电子发生位移和加速度变化，从而引起介质的折射率和吸收系数的变化。
这种变化与光场的强度呈非线性关系，即光学非线性效应。
二、光学非线性效应的分类光学非线性效应可以分为三类：光学非线性吸收效应、光学非线性折射效应和光学非线性散射效应。
1. 光学非线性吸收效应是指介质对光的吸收系数随光场强度的变化而发生非线性变化。
这种效应常见于强光照射下的材料，例如光纤、半导体等。
光学非线性吸收效应可以用于光学开关、光学存储和光学限幅等应用。
2. 光学非线性折射效应是指介质的折射率随光场强度的变化而发生非线性变化。
这种效应常见于非线性光学晶体和液晶材料中。
光学非线性折射效应可以用于光学调制器、光学隔离器和光学干涉仪等应用。
3. 光学非线性散射效应是指光在介质中传播时，与介质中的非线性效应相互作用而发生散射现象。
这种效应常见于非线性光纤和非线性光学晶体中。
光学非线性散射效应可以用于光学放大器、光学频率转换和光学混频等应用。
三、光学非线性效应的应用光学非线性效应具有广泛的应用前景，尤其在光通信、光信息处理和光储存等领域。
1. 光通信：光学非线性效应可以用于光纤通信系统中的光学开关和光学调制器，实现光信号的调制和开关控制。
这些器件具有高速、大容量和低能耗的特点，可以提高光通信系统的传输性能。
2. 光信息处理：光学非线性效应可以用于光学逻辑门、光学存储器和光学计算器等光学信息处理器件。
这些器件可以实现光信号的逻辑运算、存储和计算，具有快速、并行和高效的特点。
非线性光学及其现象
• 在电磁场作用下物质中的电荷位移能力称 为电极化率。当较弱的光电场作用于介质 时，介质的极化强度P与光电场E 成线性关 系：
• 其中 ε0为真空介电常数 χ为介质的线性极化 系数。
• 当作用于介质的光为强光(如激光)时，介质 的极化将是非线性的，在偶极近似的情况 下，原子或分子的微观极化关系可表示为：
• 二维电荷转移分子 • 1、Λ形分子
• 2、x形二维电荷转移分子
• 3、Y形二维分子
• 4、八极分子
• 二阶非线性光学高分子材料 • 一种分子和材料能够显示二阶非线性光学 响应的基本结构条件是它们必须不存在对 称中心。众所周知，普通的聚合物是一种 无定形结构的材料，为使它们能满足此条 件，可以用驻极体制备的方法，在Tg以上 施加直流高电压，使偶极子沿电场方向取 向，然后在电场下冷却下来偶极子取向被 冻结。这就是所谓电场极化法。
• 理想的光限幅效应可描述为，(a)给出了与 入射光强的关系，当入射光强超过阐值后， 其输出光强将保持为常数；(b)给出了样品 的透过率与入射光强的关系，即最初的恒 定透过率随入射光强的增加将迅速减小到 很低。
• 有机材料的非线性光限幅效应包括自散(聚) 焦、非线性散射、光折变、双光子吸收 （TPA)，及反饱和吸收(RSA)等。 • 自散(聚)焦光限幅阈值较低，但若要实现实 用，其结构将比较复杂；非线性散射光限 幅的输出幅值较低，但限幅阈值通常很高； 光折变光限幅的阈值和输出幅值都较小， 但材料的损伤阈值一般都很低；双光子吸 收光限幅的线性透射很高，但限幅阈值往 往也很高。反饱和吸收光限幅响应速度快、 线性透射率高、防护波段宽.
• 二阶非线性光学高分子材料大致可分为三 类： • (1)高分子与生色基小分子的主客复合物， • (2) 生色基功能化的高分子； • (3)LB膜的高分子化。
晶体中晶格振动频谱的非线性效应研究
晶体中晶格振动频谱的非线性效应研究晶体是一种由周期性排列的原子或分子构成的固体材料，具有特殊的物理和化学性质。
晶体中的晶格振动频谱是研究晶体结构和性质的重要方面之一。
然而，传统的线性模型往往难以完全描述晶体中的振动行为，因此我们需要研究晶体中晶格振动频谱的非线性效应。
首先，让我们回顾一下晶体的基本结构和晶格振动。
晶体中的原子或分子在平衡位置附近以一定的振动频率相互运动，形成晶格振动。
根据量子力学的原理，我们可以将晶格振动视为一系列离散的频率振动模式，称为晶格振动模。
线性模型假设晶格振动是简谐振动，即振幅与外力成线性关系。
然而，实际晶体中存在许多非线性效应，使得晶格振动不能仅仅用线性模型描述。
这些非线性效应包括非简谐性、声子声子相互作用和声子声子相互作用等。
非简谐性是晶格振动非线性的一种常见效应。
在晶体中，原子振动不再像简谐振动那样只有一个振幅，而是存在多个能量级。
例如，高振幅的原子振动可以导致键长的变化，从而改变原子之间的相互作用力。
这种非简谐效应使得晶体中的能量耗散变得更为复杂，直接影响晶格振动频谱的形状和行为。
声子声子相互作用是另一种晶格振动非线性的重要影响因素。
声子是晶体中的量子集体振动，存在于固体的能带结构中。
声子声子相互作用可以导致声子能隙的开闭，即在某些频率范围内，声子的振动模式可以相互影响和耦合。
这种相互作用通过改变晶格振动模的频率和振幅，进而影响晶体的热导率、声学性质等。
除此之外，晶体中的非线性效应还涉及到热响应、光学效应以及谐波发生等。
非线性热响应是指晶体在受到外界温度变化时，其对应的声学振动模式发生非线性变化。
非线性光学效应是指晶体在受到强光照射时，晶格振动对光的非线性响应。
谐波发生是指晶体中的声子在非简谐、非线性条件下发生高次谐波振动。
为了研究晶体中晶格振动频谱的非线性效应，科学家们采用了各种实验和理论方法。
实验方法可以通过测量热导率、声子寿命和声子光学谱等来评估非线性效应的影响。
非线性光学晶体的生长与性能的研究
非线性光学晶体的生长与性能的研究随着科学技术的不断发展，新型材料的出现和应用也日渐广泛。
其中，非线性光学晶体就是一种应用广泛的新型材料。
非线性光学晶体具有很好的光学性质，可以通过改变其结构来调节其性能。
而其生长又是研究非线性光学晶体的重要一环。
今天，我们就来一起了解一下非线性光学晶体的生长与性能的研究。
一、非线性光学晶体的基本特性非线性光学晶体是一种可用于光学相关应用的单晶材料。
它们可以通过分子极化而产生电偶极矩，当光束冲击到这些分子时，它们会发生偏转，并且会分出两个互相垂直的极化光成分。
这些光成分不仅会发生偏转，还会发生相位变化，从而产生非线性效应。
非线性光学晶体的非线性光学系数非常大，比普通材料高几百倍甚至上千倍。
同时，它们还具有很好的稳定性，可以在很宽的温度和波长范围内有效工作。
二、非线性光学晶体的生长非线性光学晶体的生长是研究非线性光学晶体的重要方面。
它的主要目的是在稳定的条件下获得具有良好光学性能的单晶。
1.生长方法生长非线性光学晶体的方法有很多种，包括平衡溶液法、水热合成法、浸润法、熔融法等。
其中，平衡溶液法是目前最常用的一种方法，它可以保证得到高质量的晶体，并且可以精确地控制晶体生长的方向和形状。
2.晶体生长的控制晶体的生长过程中，应该注意控制生长速度、温度、流速、溶液浓度等因素，以便得到具有稳定性和良好光学性能的单晶。
此外，非线性光学晶体的杂质多样，杂质的存在会对晶体的生长和性能产生不同程度的影响。
因此，在晶体的生长过程中还应该注意去除多余杂质。
三、非线性光学晶体的应用非线性光学晶体在现代光学技术中有着广泛的应用。
例如，在激光技术中，非线性光学晶体可以用于倍频、混频、差频和和/差频等方式的频率转换；在通信技术中，它可以用于调制、解调和开关；在光学信息存储技术中，它可以用于超高密度光学信息存储等。
四、非线性光学晶体的发展趋势非线性光学晶体具有广泛的应用前景，随着技术的不断进步，它的性能也在不断提升。
KBBF非线性光学晶体及应用解析
七、KBBF晶体的工作性能
• 一般来说，倍频效率不仅与基波电场初始 强度有关，而且与晶体长度有关，倍频效 率随晶体长度的增大而增加并逐渐达到同 一饱和限度；同一晶体长度，基波功率越 高，倍频效率越高；基波功率愈大，高斯 光束达到饱和效率所需晶体长度愈短；不 同的基波功率均随着晶体长度的增加而或 早或晚地达到同一饱和效率。 • 晶体长度并不是越长越好，还应该考虑损 耗
七、KBBF晶体的工作性能
• 2）匹配相位角 • KBBF晶体 I类倍频基波 的下限波长为 323 nm， 直接倍频产生的谐波波 长为161.5 nm，相位匹 配角为87.330 25°， 是目前直接倍频匹配波 长最短的晶体，晶体可 在200 nm以下的深紫外 波段实现相位匹配
七、KBBF晶体的工作性能
六、KBBF晶体的制备
• 目前报道的使用水热法制备的最佳结果是 福建物质结构所唐鼎元等人以KBF4，BeO和 B2O3为原料，在750℃ 恒温 48 h（固相反 应），其产物经固态烧结（800℃）后得到 籽晶。并使用籽晶在KF及H3BO3水溶液中经 二区加热（生长区300-400℃，溶解区350420℃）生长20-100d得到较大晶体。通过 这种方法得到了厚度超过10mm的晶体。
八、KBBF棱镜耦合装置
• 通过使用KBBF棱镜耦 合装置解决了KBBF加 工困难和Z方向厚度小 的问题，同时通过装 置的整体转动可以适 应各种匹配角，或者 通过调整石英的切割 角度来调整基光入射 角。
九、应用与展望
• 现使用KBBF晶体已经可获得瓦级200 nm 和 41 mW 177. 3 nm 的相干光,并获得了从 232. 5-170 nm 的 Ti 宝石激光的可调谐 四倍频谐波光输出。这已可应用于大部分 实际所需,如超高能量分辨率光电子能谱仪、 深紫外激光光电子显微镜、 193 nm 光刻 技术等。此外, 随着晶体生长技术的改进, 在得到更大更厚的晶体之后,KBBF 族晶体 将可获得深紫外光谱区的更高功率输出和 更广泛的应用。
光子晶体与光学非线性效应的研究
光子晶体与光学非线性效应的研究随着科技进步的不断推动，光子晶体和光学非线性效应正在成为光学领域中备受关注的研究方向。
光子晶体是由周期性介质构成的材料，在光子结构、波导和共振腔方面具有独特的优势。
而光学非线性效应是指光与物质相互作用时，光的一些性质会随着光强的变化而发生非线性变化的现象。
光子晶体可以通过调节其周期结构来控制和调制光的传播特性。
在光的传播过程中，光子晶体的周期性结构会导致光的衍射现象。
这种衍射现象使得光在光子晶体中发生光子带隙的形成，即特定频率范围内的光无法通过光子晶体的晶格间隙。
这种光子带隙的特性可以被用于制造各种光学器件，如滤波器和反射镜等。
在光子晶体中，光的传播速度也受到周期性结构的影响。
当光垂直于周期性结构传播时，光子晶体中会出现光子色散现象，即不同频率的光具有不同的传播速度。
这种色散性质可以被利用来调节光的传播速度，实现光的延迟或者超光速传输。
这种特性在光通信和光存储等领域具有潜在的应用价值。
除了以上的光学特性外，光子晶体还具有光学非线性效应的潜力。
光学非线性效应是指光与物质相互作用时，光的一些性质会随着光强的变化而发生非线性变化的现象。
这种非线性变化可以用于光学器件的制备和调制。
在光子晶体中，非线性效应可以通过改变晶格缺陷的引入或调节晶格调制来实现。
其中最常见的非线性效应是二次非线性效应，即给定频率的光在介质中经过非线性过程后，会生成具有双倍频率的光。
这种二次谐波产生效应可以用于光学频率加倍器和激光生成器等器件的制备。
光子晶体的周期性结构提供了调节和增强二次非线性效应的机会，为光学频率加倍技术的发展提供了潜在的途径。
除了二次非线性效应外，光子晶体还可以实现其他类型的非线性光学效应，如自相位调制和自相位调制效应。
自相位调制是指通过调节光的相位来实现光信号的调制。
自相位调制效应是指在介质中高强度光的传播过程中，介质的光强非线性响应导致光的相位发生变化。
这种自相位调制效应可以用于实现光学调制器和全光开关等器件。
非线性光学晶体的性能与应用
非线性光学晶体的性能与应用引言：非线性光学晶体是一类具有特殊光学性质的材料，其在光学领域有着广泛的应用。
本文将介绍非线性光学晶体的性能特点以及其在通信、激光技术和生物医学等领域的应用。
一、非线性光学晶体的性能特点1. 非线性效应非线性光学晶体具有非线性效应，即当光强度较高时，晶体的光学性质会发生明显的非线性变化。
这种非线性效应使得晶体在光学调制、频率转换和波长选择等方面具有独特的优势。
2. 高非线性系数非线性光学晶体的非线性系数通常较高，能够将输入光信号进行高效的转换和调制。
这种高非线性系数使得晶体在光学信号处理和光学器件设计中具有重要的应用价值。
3. 宽光学透明窗口非线性光学晶体通常具有宽的光学透明窗口，能够在可见光和红外光等多个波段范围内有效传输光信号。
这种宽光学透明窗口使得晶体在光通信和光传感等领域具有广泛的应用前景。
二、非线性光学晶体的应用1. 光通信非线性光学晶体在光通信领域中有着重要的应用。
通过利用晶体的非线性效应，可以实现光信号的调制、调制解调和光信号转换等功能。
此外，晶体的宽光学透明窗口使得其可以传输多个波长的光信号，从而提高了光通信系统的传输容量和性能。
2. 激光技术非线性光学晶体在激光技术中也有着广泛的应用。
通过利用晶体的非线性效应，可以实现激光的频率转换、倍频和混频等功能。
这种功能可以用于激光器的频率调谐、激光脉冲压缩和激光波长选择等方面，为激光技术的发展提供了重要的支持。
3. 生物医学非线性光学晶体在生物医学领域中也有着广泛的应用。
通过利用晶体的非线性效应，可以实现生物组织的非线性显微成像和光学操控等功能。
这种功能可以用于细胞和组织的高分辨率成像、药物递送和光学治疗等方面，为生物医学研究和临床应用提供了新的手段。
结论：非线性光学晶体具有独特的性能特点和广泛的应用前景。
通过充分利用晶体的非线性效应，可以实现光信号的高效处理和调制，为光通信、激光技术和生物医学等领域的发展提供了重要的支持。
非线性光学晶体
非线性光学晶体非线性光学晶体对于激光强电场显示二次以上非线性光学效应的晶体非线性光学晶体是对于激光强电场显示二次以上非线性光学效应的晶体。
非线性光学晶体是一种功能材料，其中的倍频（或称“变频”）晶体可用来对激光波长进行变频，从而扩展激光器的可调谐范围，在激光技术领域具有重要应用价值。
1 介绍具有非线性光学效应的晶体。
广义指在强光或外场作用下能产生非线性光学效应的晶体。
通常将强光作用下产生的称为非线性光学晶体; 外场作用下产生的称电光、磁光、声光晶体。
此外，还有含共轭体系的有机分子组成的晶体或聚合物。
广泛应用的有KH2PO4(KDP)、NH4H2PO4(ADP)、CsH2A5O4(CDA)；KTiOPO4、KNbO3、NiNbO3、 Ba2NaNb5O15；BaB2O4(BBO)、LiB3O5(LBO)、NaNO2；GaAs、InSb、InAs、 ZnS等。
按状态分为块状、薄膜、纤维、液晶。
利用二阶非线性效应产生的倍频、混频、参量振荡及光参量放大等变频技术，可拓宽激光的波长范围，已应用于核聚变、医疗、水下摄影、光通信、光测距等方面。
2 三硼酸锂晶体简称LBO晶体。
分子式为 LiB3O5，属正交晶系，空间群为Pna2 的一种非线性光学材料。
福建物质结构研究所首次发现。
密度2.48g/cm，莫氏硬度6，具有较宽的透光范围（0.16～2.6μm），较大的非线性光学系数，高的光损伤阈值（约为KTP的 4.1倍，KDP 的1.83倍，BBO的2.15 倍）及良好的化学稳定性及抗潮解性。
可用于1.06μm激光的二倍频和三倍频，并可实现Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配。
用功率密度为350MW/cm的锁模Nd ：YAG激光，样品通光长度为11mm （表面未镀膜），可获得倍频转换效率高达60%。
LBO晶体可制作激光倍频器和光参量振荡器。
用高温溶液法可生长出光学质量的单晶。
3 三硼酸锂铯晶体CLBO晶体的基本结构与三硼酸铮和三硼酸铯相同，其阴离子基因中平面基团和四面体基团的结合是其大的非线性效应来源。
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晶体中的非线性光学效应
内容提要
线性与非线性光学 倍频效应与光整流 混频效应 光折变效应 光学双稳态
线性光学
激光问世之前，光学研究的基本前提是：
介质的极化强度与光波的电场强度成正比； 光束在介质中传播时，介质光学性质的极 化率/折射率是与光强无关的常量； 光波独立传播。
在上述条件下研究光学问题称为线性光学。
1 2
m
k
内容提要
线性与非线性光学 倍频效应与光整流 混频效应 光折变效应 光学双稳态
混频效应
两束或两束以上不同频率的单色强光同时入射到非线性介 质后，通过介质的两次或更高次非线性电极化系数的耦合，产 生光学和频与光学差频光波的现象。 假如有两束不同的单色光入射到非线性介质上，入射光表示为：
光折变效应
高强度激光在各向同性介质中传播
P 0 ( c E c3 E3 )
D 0E P
D 0 r E
r 1 c c3 E 2
n r
c3 E 2 n r 1 c c3 E 1 c (1 ) 1 c
2
光孤子
激光光束在横截面上强度分布呈高斯型，中间强，四周 弱。因此当激光束通过该类介质时，由光强感生的折射率变 化，使中间部分折射率大于四周，会使光束汇聚，形成自聚 焦现象。当非线性介质的自聚焦(或自散焦)效应与光束的衍 射发散作用相平衡时, 在介质内无衍射地向前传播，这种不 扩散的光束被称为空间光孤子。 在光学中, 就本身性质而言, 具有一定时间宽度的光脉冲 在线性色散介质中传播时,通常会被展宽;当光纤的线性色散 效应和非线性自相位调制效应达到平衡时, 光纤中可传播无 色散的光脉冲, 由于这种光脉冲沿时间轴传播时脉冲宽度保 持不变, 因此被称为时间光孤子
线性与非线性光学 倍频效应与光整流 混频效应 光折变效应 光学双稳态
倍频效应
假定频率为ω的基波射入非线性介质, 由于二次非线 性效应, 将产生频率为2ω的二阶非线性极化强度, 该极化强度作为一个激励源将产生频率为2ω的二次谐 波辐射, 并由介质输出, 这就是二次谐波产生过程, 或倍频过程。
内容提要
线性与非线性光学 倍频效应与光整流 混频效应 光折变效应 光学双稳态
光折变效应
光折变效应是光致折射率变化效应的简称。在线性 光学中，介质的折射率仅是光频率的函数，而与光强 度无关。弹载非线性光学中，介质的折射率不仅与光 频率有关还与入射光强度有关。这一效应被称为光折 变效应
播方向 寻常二次谐波 寻常基波 非常基波 非常二次谐波
O
图 KDP晶体折射率曲面通过光轴的截面
相位匹配
cos2 m sin 2 m no ( ) ne (2 , m ) 2 2 no (2 ) ne (2 )
1 1 2 2 no ( ) no (2 ) 2 sin m 1 1 2 2 ne (2 ) no (2 )
(2)
0 c eff
E01 (1 cos 21t )
2
0 c eff
2 E02 (1 cos 22t )...
由上式可以看出，除了直流和倍频项，还出现了频率 ω 1+ω 2 和ω 1-ω 2的振荡偶极矩，他们将辐射出相应频率的光。又分 别称为光学和频与差频。二阶混频来源于介质在两束入射光同 时作用下产生的二阶非线性极化，即极化强度中频率为 ω 1+ω 2及ω 1-ω 2的部分。这两部分极化强度相当于两种频率 分别为 ω 1+ω 2和ω 1-ω 2的振荡电偶极矩。两束入射光与介 质作用的结果，在介质中激励起分别具有这两种振荡频率的两 个偶极矩阵列。此阵列的辐射分别就是和频光与差频光。
E E01 cos 1t E02 cos 2t
二阶非线性项为：
P(2) 0 ceff (E01 cos 1t E02 cos 2t )2
混频效应
2 2 ... 0 c eff E01E02 cos(1 2 )t 0 c eff E01E02 cos(1 2 )t P
倍频效应
假如一束单色光入射到非线性介质上，入射光表示为：
E E01 cos 1t
二阶非线性项为：
P(2) 0 ceff (E01 cos 1t )2
倍频效应
P
(2)
0 ceff
2
2 E01 (1 cos 21t )
由上式可以看出，等式右边第一项表示直流项，由该项的 存在，在介质表面分别出现正的和负的面电荷，形成了与入射 光强成正比恒定电位差。这个效应被称为光整流效应。 光整流效应是一种特殊的非线性光学效应，脉冲激光和非 线性介质的相互作用而产生低频电极化场（THz）的过程。这 种低频电极化场可以产生超快电磁波辐射。 上式右边第二项代表了频率等于入射光频率两倍的电偶极 矩，它将辐射出二次谐波。这个效应被称为倍频效应 。
倍频效应
1961年Franken等人在Michigen大学的实验－光学 倍频实验。
滤光片 红宝石 石英晶体 694.3nm 347.15nm 底片
相位匹配
设介质对基波和二次谐波辐射的折射率为n1和n2 又设基波光电场表示式为
(3.5-1)
式中
相位匹配
推导相位匹配条件
相位匹配
相位匹配
kL sin 2 (n n )L sin 2 c 1 2 2 2 (k ) (n1 n2 )
2
I 2
I 2
kL sin c 2
2
相位匹配
①由于介质的色散效应使总的二次谐波强 度输出很小
②
k 0
k 0 2k1 k 2 n1 n2 , 1 2
相位匹配
z (光轴)
m＝ 50.4° 波的传
非线性光学效应
对很强的激光，光波的电场强度可与原子内部的库 仑场相比拟，媒质极化强度不仅与场强E的一次方有 关，而且还决定于E的更高幂次项，从而导致线性光 学中不明显的许多新现象－非线性光学效应。
P=c(1) E+ c(2)E^2 + c(3)E^3+…
媒质响应 非线性关系 光对媒质的作用
内容提要