晶體的光學性質(zhì)

1、晶體的光學性質(zhì)報告人：孫玉祥SDUShanDong University目 錄晶體的線性光學性質(zhì)1晶體的非線性光學性質(zhì)2晶體在外場作用下的光學性質(zhì)3晶體的線性光學性質(zhì)晶體的線性光學性質(zhì)線性光學性質(zhì)的定義：線性光學性質(zhì)的定義： 介質(zhì)在光電場介質(zhì)在光電場 作用下，引起的電極化強度作用下，引起的電極化強度 與電場強度與電場強度 成線性關系成線性關系 式中，式中， 為電極化率。根據(jù)經(jīng)典模型，電子極化所輻射的次波與入射光頻率為電極化率。根據(jù)經(jīng)典模型，電子極化所輻射的次波與入射光頻率相同，因此不會出現(xiàn)其他頻率的光。相同，因此不會出現(xiàn)其他頻率的光。 EP0PEE兩束以上的光波在介質(zhì)中傳播時，遵從獨立傳播原理

2、，光波之間不會發(fā)生相兩束以上的光波在介質(zhì)中傳播時，遵從獨立傳播原理，光波之間不會發(fā)生相互作用或散射，從而不會改變他們各自的頻率。而當它們在介質(zhì)中相遇時，互作用或散射，從而不會改變他們各自的頻率。而當它們在介質(zhì)中相遇時，遵從線性疊加原理，即當它們是頻率不同的非相干光時則光強相加，而當它遵從線性疊加原理，即當它們是頻率不同的非相干光時則光強相加，而當它們是相干光時，則發(fā)生傳統(tǒng)的光的干涉和衍射等現(xiàn)象。們是相干光時，則發(fā)生傳統(tǒng)的光的干涉和衍射等現(xiàn)象。晶族晶族晶系晶系對稱特點（特征對稱要素）對稱特點（特征對稱要素）晶胞參量晶胞參量獨立參量個數(shù)獨立參量個數(shù)高級晶族高級晶族（光學均質(zhì)體）（光學均質(zhì)體）立方晶

3、系立方晶系多多于于一一個個高高次次軸軸在立方體對角線方向有四在立方體對角線方向有四個個3次軸（旋轉軸或旋轉次軸（旋轉軸或旋轉倒反軸）倒反軸）1中級晶族中級晶族（單軸晶）（單軸晶）三方晶系三方晶系只只有有一一個個高高次次軸軸唯一的高次軸為唯一的高次軸為3次軸次軸（旋轉軸或旋轉倒反軸）（旋轉軸或旋轉倒反軸）菱形菱形2三方三方四方晶系四方晶系唯一的高次軸為唯一的高次軸為4次軸次軸（旋轉軸或旋轉倒反軸）（旋轉軸或旋轉倒反軸）2六方晶系六方晶系唯一的高次軸為唯一的高次軸為6次軸次軸（旋轉軸或旋轉倒反軸）（旋轉軸或旋轉倒反軸）2低級晶族低級晶族（雙軸晶）（雙軸晶）正交晶系正交晶系無無高高次次軸軸有兩個互相

4、垂直的有兩個互相垂直的2次軸次軸（旋轉軸或旋轉倒反軸）（旋轉軸或旋轉倒反軸）3單斜晶系單斜晶系只有一個只有一個2次軸（旋轉軸次軸（旋轉軸或旋轉倒反軸）或旋轉倒反軸）第一種定向第一種定向4第二種定向第二種定向三斜晶系三斜晶系只有只有1次軸（旋轉軸或旋次軸（旋轉軸或旋轉倒反軸）轉倒反軸）6ocba90cbaoocba120,90ocba90oocba120,90ocba90cbaocba90ocba90晶晶 體體 的的 分分 類類 ：晶體的線性光學性質(zhì)晶體的線性光學性質(zhì)單色平面波在各向同性和異性介質(zhì)中傳播的異同：單色平面波在各向同性和異性介質(zhì)中傳播的異同：各向同性介質(zhì)各向同性介質(zhì)各向異性介質(zhì)各向異

5、性介質(zhì) 與與 的方向的方向相同相同不一定相同不一定相同 與與 的方向的方向相同相同不一定相同不一定相同右手螺旋正交右手螺旋正交矢量系統(tǒng)矢量系統(tǒng)一組：一組： 兩組：兩組： 光線速度光線速度 是否等是否等于光的相速于光的相速相等相等不一定相等不一定相等是否有雙折射現(xiàn)象是否有雙折射現(xiàn)象無無有有是否有旋光現(xiàn)象是否有旋光現(xiàn)象無無部分介質(zhì)有（水晶）部分介質(zhì)有（水晶）DEtK t/SKmHED， KmHD， tSHE，t 對于透明的非磁性介質(zhì)，各向同性介質(zhì)的介電常數(shù)對于透明的非磁性介質(zhì)，各向同性介質(zhì)的介電常數(shù) 為與方向無關的標為與方向無關的標量常數(shù)，但在各向異性介質(zhì)中則為與方向有關的張量。量常數(shù)，但在各向異

6、性介質(zhì)中則為與方向有關的張量。晶體的線性光學性質(zhì)晶體的線性光學性質(zhì)晶體中的雙折射現(xiàn)象：晶體中的雙折射現(xiàn)象： 當入射光正交入射到方解石菱面上時，折射光會分成兩束，一束遵守折射定律，當入射光正交入射到方解石菱面上時，折射光會分成兩束，一束遵守折射定律，稱為常光（稱為常光（o光），一束偏離入射光路（折射角不為零），稱為非常光（光），一束偏離入射光路（折射角不為零），稱為非常光（e光）。光）。光軸方向特性：無雙折射光軸方向特性：無雙折射偏振特性偏振特性均為線偏振光均為線偏振光互相垂直互相垂直折射率特性折射率特性o光不隨方向變化光不隨方向變化e光隨方向變化光隨方向變化Oo光光e光光c軸軸光通過方解石晶體

7、時產(chǎn)生的雙折射現(xiàn)象光通過方解石晶體時產(chǎn)生的雙折射現(xiàn)象入射光入射光（3次軸）次軸）P晶體的線性光學性質(zhì)晶體的線性光學性質(zhì)各類晶體的雙折射現(xiàn)象：各類晶體的雙折射現(xiàn)象：高級晶族晶體：各方向折射率相同，不產(chǎn)生雙折射。高級晶族晶體：各方向折射率相同，不產(chǎn)生雙折射。產(chǎn)生一束為產(chǎn)生一束為o光，一束為光，一束為e光的雙折射，光的雙折射，e光的折射率隨光的折射率隨 的的 方向方向 而改變。而改變。K中級晶族晶體：中級晶族晶體：oDoEoeEeD1x2x cx3etotK,中級晶族晶體中雙折射光線的各矢量圖中級晶族晶體中雙折射光線的各矢量圖低級晶族晶體：產(chǎn)生兩束均為低級晶族晶體：產(chǎn)生兩束均為e光的雙折射。光的雙折

8、射。o低級晶族晶體中雙折射光線的各矢量圖低級晶族晶體中雙折射光線的各矢量圖IIItEDt E DH ，KH 當當 /雙軸晶的一個主軸時，雙軸晶的一個主軸時， ，其他方向時兩者方向不一致，其他方向時兩者方向不一致Kt/K當當 / 時，時， ，第一類光軸，第一類光軸K21cc 或221nnn 晶體的線性光學性質(zhì)晶體的線性光學性質(zhì)描述晶體光學性質(zhì)的示性曲面：光率體和折射率面描述晶體光學性質(zhì)的示性曲面：光率體和折射率面光率體：介電不滲透性系數(shù)光率體：介電不滲透性系數(shù) 的示性曲面，有下列重要性質(zhì)：的示性曲面，有下列重要性質(zhì)： ij 任一矢徑代表一個任一矢徑代表一個 的方向，矢徑的長度或模，表示該的方向，

9、矢徑的長度或模，表示該 方向的折射率：方向的折射率： 給出了晶體中與給出了晶體中與 相聯(lián)系的兩種偏振光波的振動方向和他們的折射率相聯(lián)系的兩種偏振光波的振動方向和他們的折射率 從光率體中可以求出與從光率體中可以求出與 相應的相應的 的方向，光線方向的方向，光線方向 以及離散角以及離散角 DD1n DE tSo1x2x3xKD Dnn ABP由光率體求解給定由光率體求解給定 方向上兩個偏振方向上兩個偏振波的折射率和波的折射率和 的方向的方向KDoD Km tSrE光波中的光波中的 、 、 、 個矢量間的關系個矢量間的關系DE tS Km晶體的線性光學性質(zhì)晶體的線性光學性質(zhì)K晶體對稱性對光率體的影響

10、晶體對稱性對光率體的影響: :高級晶族晶體：高級晶族晶體：（4個三次軸）個三次軸）中級晶族晶體：中級晶族晶體：（只有一個高次軸）（只有一個高次軸）en光軸光軸onon正光性（水晶）正光性（水晶）ononen光軸光軸負光性（方解石）負光性（方解石）低級晶族晶體：低級晶族晶體：（沒有高次軸）（沒有高次軸）3xoror1x1c2c3n1n2n2n正2 晶體對稱性晶體對稱性光率體的形狀和取向光率體的形狀和取向制約制約正光性正光性負光性負光性ooonononononDDDD o晶體的線性光學性質(zhì)晶體的線性光學性質(zhì)折射率面：折射率面： ，雙層曲面。，雙層曲面。nrmnKr,各類晶體的折射率面圖形：各類晶體

11、的折射率面圖形：高級晶族晶體：高級晶族晶體：（4個三次軸）個三次軸）onononononDDDD o中級晶族晶體：中級晶族晶體：（只有一個高次軸）（只有一個高次軸）正單軸晶折射率面正單軸晶折射率面負單軸晶折射率面負單軸晶折射率面K3x2xonononeneno1x2xenenonono1x2xenenonono3x1xenonono低級晶族晶體：低級晶族晶體：（沒有高次軸）（沒有高次軸）3x1n1n2n3n2x3x1x1c2c3n1n2n2n1x2x1n2n3n3n雙軸晶折射率面的主軸截面雙軸晶折射率面的主軸截面晶體的線性光學性質(zhì)晶體的線性光學性質(zhì)折射率的色散：折射率的色散： 當光波的波長變化

12、時，折射率會相應的改變當光波的波長變化時，折射率會相應的改變 2212212CCBBAn2121,CCBBA其中，其中， 為待定系數(shù)，為待定系數(shù)， 為真空中波長。為真空中波長。光率體或折射率面的色散：由于主折射率隨波長而變化，晶體中光率體和折光率體或折射率面的色散：由于主折射率隨波長而變化，晶體中光率體和折射率面的形狀和取向，都會隨波長變化射率面的形狀和取向，都會隨波長變化晶體的線性光學性質(zhì)晶體的線性光學性質(zhì)光率體色散形狀光率體色散形狀折射率面色散形狀折射率面色散形狀高級晶族高級晶族一組同心的球面一組同心的球面一組同心的球面一組同心的球面中級晶族中級晶族幾個具有同一旋轉軸幾個具有同一旋轉軸（光

13、軸）、但大小不同（光軸）、但大小不同的一套旋轉橢球面的一套旋轉橢球面幾對大小不同的共軸（光幾對大小不同的共軸（光軸）雙層面軸）雙層面-不同波長的不同波長的折射率面可能相交折射率面可能相交低級低級晶族晶族正交晶系正交晶系光軸角色散（主軸光軸角色散（主軸/晶軸）晶軸）單斜晶系單斜晶系2次軸（次軸（b軸）方向主軸不發(fā)生色散軸）方向主軸不發(fā)生色散三斜晶系三斜晶系無規(guī)則無規(guī)則3x1x位相匹配方向位相匹配方向0.531.06o3LiNbO在不同波長下的折射率曲面在不同波長下的折射率曲面o光光e光光主截面主截面光軸光軸BTUSAConenenKetPBAoqKPietonen enCD光軸光軸晶體晶體單軸晶

14、正入射（單軸晶正入射（a）和斜入射（）和斜入射（b）的）的STU截面的雙折射光路截面的雙折射光路（a）（b）晶體中的光路晶體中的光路in晶體晶體iii1 i2i1 im2imiimimq雙折射光波雙折射光波in晶體晶體12iim2m1mqm雙反射光波雙反射光波在晶體界面上在晶體界面上在晶體在晶體晶體的線性光學性質(zhì)晶體的線性光學性質(zhì)偏振光的干涉：偏振光的干涉：振動方向互相垂直：振動方向互相垂直：2sin2cos22212122222121aaSSaSaS振動方向互相平行：振動方向互相平行： ，cos22121IIIII2頻率相同的兩線偏振光的疊加，頻率相同的兩線偏振光的疊加，222111cos,

15、costaStaS晶體中雙折射光的疊加：（條件：晶體界面垂直于一主軸，正交入射）晶體中雙折射光的疊加：（條件：晶體界面垂直于一主軸，正交入射）D與晶體界面光與晶體界面光率體主軸夾角率體主軸夾角位相差的改變位相差的改變（d遞增）遞增）合成光波的形狀合成光波的形狀變化（變化（d遞增）遞增） 遞增遞增直線直線-橢圓橢圓-圓圓-橢橢圓圓-直線直線直線直線-不同取向不同取向的橢圓的橢圓-直線直線=45 45 3x1xoD二分之一波片、四分之一波片二分之一波片、四分之一波片，八分之一波片和全波片，八分之一波片和全波片晶體的線性光學性質(zhì)晶體的線性光學性質(zhì)晶體中雙折射光的干涉：晶體中雙折射光的干涉：（條件：晶

16、體界面垂直于一主軸，正交入射）（條件：晶體界面垂直于一主軸，正交入射）oDD BACDPFE平行偏光鏡平行偏光鏡正交偏光鏡正交偏光鏡晶體的線性光學性質(zhì)晶體的線性光學性質(zhì)222sin2sin2sincosODI晶片效應晶片效應起偏鏡起偏鏡P檢偏鏡檢偏鏡A晶體晶體入射光入射光o光光e光光接收屏接收屏在顯微鏡的載物臺下加一短焦距的聚光透鏡，并在檢偏鏡在顯微鏡的載物臺下加一短焦距的聚光透鏡，并在檢偏鏡與目鏡之間加入勃氏鏡，在高倍的接物鏡下可以觀察晶片與目鏡之間加入勃氏鏡，在高倍的接物鏡下可以觀察晶片在聚斂偏光下的干涉現(xiàn)象，干涉圖像稱為錐光干涉圖。在聚斂偏光下的干涉現(xiàn)象，干涉圖像稱為錐光干涉圖。晶片的錐

17、光干涉圖：晶片的錐光干涉圖：雙軸晶銳角等分線干涉圖（雙軸晶銳角等分線干涉圖（a） 0 位置；（位置；（b） 45 位置位置單軸晶的光軸干涉圖單軸晶的光軸干涉圖單軸晶或雙軸晶單軸晶或雙軸晶晶體光性符號晶體光性符號光率體方位光率體方位晶體的線性光學性質(zhì)晶體的線性光學性質(zhì)晶體的非線性光學性質(zhì)晶體的非線性光學性質(zhì)在激光出現(xiàn)后，由于光源場在激光出現(xiàn)后，由于光源場 太強，使得太強，使得 與與 呈現(xiàn)出冪級數(shù)的關系：呈現(xiàn)出冪級數(shù)的關系：EPE 332210EEEP式中，式中， 為線性極化系數(shù)，為線性極化系數(shù)， 和和 等稱為介質(zhì)的非線性極化系數(shù)。等稱為介質(zhì)的非線性極化系數(shù)。 1 2 3定義：定義：倍頻效應的發(fā)現(xiàn)

18、：倍頻效應的發(fā)現(xiàn)：三棱鏡三棱鏡水晶片（石英板）水晶片（石英板）透鏡透鏡紅寶石脈沖激光器（紅寶石脈沖激光器（694.3 nm）1961年年Franken等人發(fā)現(xiàn)倍頻效應的實驗裝置圖等人發(fā)現(xiàn)倍頻效應的實驗裝置圖694.3 nm347.2 nm大量非線性效應的發(fā)現(xiàn)：和頻和差頻（合稱混頻），光參量振蕩大量非線性效應的發(fā)現(xiàn)：和頻和差頻（合稱混頻），光參量振蕩- 項項 受激拉曼散射（受激拉曼散射（SRS），雙光子吸收（），雙光子吸收（TPA），受激瑞利），受激瑞利 散射和布里淵散射，自聚焦現(xiàn)象散射和布里淵散射，自聚焦現(xiàn)象- 項項 2 3晶體的非線性光學性質(zhì)：晶體的非線性光學性質(zhì)：位相匹配位相匹配正單軸晶（

19、正單軸晶（ ）負單軸晶（負單軸晶（ ） 第一類第一類（平行式）（平行式）匹配方式匹配方式匹配條件匹配條件倍倍 頻頻 光光極化強度極化強度 第二類第二類（正交式）（正交式）匹配方式匹配方式匹配條件匹配條件倍倍 頻頻 光光極化強度極化強度倍頻過程中的位相匹配：倍頻過程中的位相匹配：位相匹配條件：位相匹配條件：2211nn能量守恒定律能量守恒定律動量守恒定律動量守恒定律2211oenn oenn oeeeooomenn21meonn21 eeinoeeEEFP,21 ooineooEEFP,22oeoeoeomeonnn21121memeonnn21121 eoinooeEEFP,22 oeinee

20、oEEFP,21表表3 單軸晶的位相匹配方式和條件單軸晶的位相匹配方式和條件負光性單軸晶多數(shù)能滿足位相匹配條件，以第一類匹配應用最多：對于正光性負光性單軸晶多數(shù)能滿足位相匹配條件，以第一類匹配應用最多：對于正光性單軸晶，其基頻折射率面完全在倍頻折射率面內(nèi)，故一般不能實現(xiàn)位相匹配。單軸晶，其基頻折射率面完全在倍頻折射率面內(nèi)，故一般不能實現(xiàn)位相匹配。晶體的非線性光學性質(zhì)晶體的非線性光學性質(zhì)位相匹配條件：位相匹配條件：332221211211nnn能量守恒定律能量守恒定律動量守恒定律動量守恒定律光混頻和光參量振蕩：光混頻和光參量振蕩：頻率上轉換：夜視儀（熱輻射頻率上轉換：夜視儀（熱輻射 可見光）可見

21、光）頻率下轉換：遠紅外光研究頻率下轉換：遠紅外光研究光參量放大：光參量放大：假設有信號頻率假設有信號頻率 存在于晶體中，用一強激光投射到晶體上存在于晶體中，用一強激光投射到晶體上（泵浦光），其頻率為（泵浦光），其頻率為 ，且，且 ，則由于差頻效應，產(chǎn)，則由于差頻效應，產(chǎn)生頻率為生頻率為 的極化波，這個極化波在晶體中傳播，與的極化波，這個極化波在晶體中傳播，與泵浦光相遇，發(fā)生混頻，產(chǎn)生泵浦光相遇，發(fā)生混頻，產(chǎn)生 的極化的極化波，最后產(chǎn)生的波，最后產(chǎn)生的 光波同最初的光波同最初的 光波滿足位相匹配，使得原光波滿足位相匹配，使得原始信號放大，這就是參量放大。始信號放大，這就是參量放大。spspspi

22、-ssppsp-光參量振蕩：光參量振蕩：光參量放大過程中，當泵浦光提供的增益超過光參量放大過程中，當泵浦光提供的增益超過 和和 的腔體損耗的腔體損耗時，便產(chǎn)生振蕩。時，便產(chǎn)生振蕩。si晶體的非線性光學性質(zhì)晶體的非線性光學性質(zhì)ss拉曼散射：拉曼散射：自發(fā)拉曼散射：自發(fā)拉曼散射：1928年，光波被原子或分子散射后會發(fā)生頻率的改變。年，光波被原子或分子散射后會發(fā)生頻率的改變。1963年，年，Eckhardt在金剛石、方解石、硫磺中首次觀察到。在金剛石、方解石、硫磺中首次觀察到。 然而，直到然而，直到1977年，年，Ammann報道了報道了 晶體中受激拉曼晶體中受激拉曼散射的頻率轉換效率達到高效的散射

23、的頻率轉換效率達到高效的77%，才引起人們的重視，才引起人們的重視。3LiIO受激拉曼散射：受激拉曼散射：受激拉曼散射：（受激拉曼散射：（a）斯托克斯線的產(chǎn)生）斯托克斯線的產(chǎn)生;（b）反斯托克斯線的產(chǎn)）反斯托克斯線的產(chǎn)生生LSR aRLS-LASR bRLASASSII 晶體的非線性光學性質(zhì)晶體的非線性光學性質(zhì)幾種主要的非線性光學晶體的非線性光學系數(shù)：幾種主要的非線性光學晶體的非線性光學系數(shù)：材料名稱材料名稱化學式化學式對稱性對稱性絕對值絕對值（ ）相對值相對值 （ ）11.21鈮酸鋰鈮酸鋰105.875鈮酸鋇鈉鈮酸鋇鈉313142淡紅銀礦淡紅銀礦（合成）（合成）20.021.3碘酸碘酸10.

24、5碘酸鋰碘酸鋰11.912.4硒硒240碲碲1460辰砂（合成）辰砂（合成）90KDPADP42POKH424POHNH3LiNbO1522ONaNbBa33AsSAg3HIO3LiIOSeTeHgSm24m24m32mmm32226323232V/m1012-KDPin36/63. 03676. 036.36-316 . 32274-3302-3102-3262-336 .12314 .13226 . 6146 . 6-31.87-33150114300920115711晶體的非線性光學性質(zhì)晶體的非線性光學性質(zhì)幾種主要的單軸晶非線性光學晶體的性質(zhì)：幾種主要的單軸晶非線性光學晶體的性質(zhì)：材料材

25、料透明波段透明波段（ ）使用波長使用波長（ ）吸收系數(shù)吸收系數(shù)（ ）折射率折射率（ ）非線性光學系數(shù)非線性光學系數(shù)倍頻位相匹配倍頻位相匹配角（室溫）角（室溫）表面破壞閾值表面破壞閾值（ ） 為脈寬為脈寬0.21.51.060.031.49 1.460.531.51 1.470.21.61.060.051.49 1.460.530.051.51 1.170.21.21.060.11.51 1.470.531.53 1.480.261.431.0640.041.55 1.530.5321.57 1.550.221.41.0640.041.50 1.470.5320.011.51 1.480.33.

26、51.060.061.86 1.720.451.060.082.23 2.160.6313.510.60.0732.60 2.851.062.70 2.99mm1cmo20onen21/ NcminIII2/cmWpKDPDKDPADPCDARDP3LiIO3LiNbOHgS，負m24，負m24，負m24，負m24，負m24，負6，負m3，正327-361016. 029. 3）（8-36103 . 13 .30）（7-361019. 098. 3）（8-36105 . 33 .30）（8-361016. 33 .30）（o41o59o37o5 .53o42CToo5090oo875 .83oooT6331906450o5083o2 . 0103 . 27p2 . 0107 . 17p25. 01069p601058p101058p101068p101028p1210738p6-151022. 017. 4）（o30201067p6-151022. 01 . 4）（)631C8-(90CTooo30102 . 18p5-111026. 179. 3）（o8 .20171047p晶體的非線性光學