非線(xiàn)性光學(xué)晶體

非線(xiàn)性光學(xué)晶體目錄

物聯(lián)網(wǎng)基本概念非線(xiàn)性光學(xué)010203相位匹配非線(xiàn)性光學(xué)現(xiàn)象非線(xiàn)性光學(xué)晶體材料04我國(guó)先進(jìn)技術(shù)05非線(xiàn)性光學(xué)所謂線(xiàn)性光學(xué)，其最大的特點(diǎn)就是不改變光的頻率、不與介質(zhì)發(fā)生能量交換。那根據(jù)此就可以推斷出，會(huì)發(fā)生能量交換、會(huì)改變頻率的就是非線(xiàn)性光學(xué)。相位匹配的物理本質(zhì)（以倍頻為例，就是光的頻率翻倍）是讓基頻光在晶體中傳播，然后沿途激發(fā)出倍頻光，由于相速度相同，所以相位是一致的，這樣沿途激發(fā)的倍頻光可滿(mǎn)足干涉條件，從而極大地增強(qiáng)倍頻光的光強(qiáng)。而要觀察到非線(xiàn)性的光學(xué)效應(yīng)，就需要相位匹配。相位匹配圖1中實(shí)線(xiàn)圓圈表示o光，虛線(xiàn)橢圓表示e光，其實(shí)就是o光在各個(gè)方法的傳播速度是一致的，e光的傳播速度是不一樣的。當(dāng)然，不同頻率的光在材料中傳播的傳播速度也是不一樣的，圖中綠色的是倍頻光，紅色的是基頻光，我們的目的是用基頻光來(lái)產(chǎn)生倍頻光，所以這里面最基本的做法就是選擇交點(diǎn)A的方向，這樣基頻光的o光就可以產(chǎn)生倍頻光的e光，小圓變大橢圓，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就是用2個(gè)基頻光o光光子來(lái)轉(zhuǎn)化成1個(gè)倍頻光的e光光子。前面這種方式的相位匹配方式，我們稱(chēng)之為第Ⅰ類(lèi)匹配，這一類(lèi)取的是基頻光的同偏振光（即o光，或者e光，如果橢圓在外面，那就是反一下的，這樣就變成正單軸晶體了）。第Ⅱ類(lèi)匹配是取基頻光的不同偏振光。圖2紅色的圓，對(duì)于特定頻率的光，e光折射率和o光折射率是固定的，所以必定可以找出這么一個(gè)點(diǎn)，使得有藍(lán)色的圓與綠色虛線(xiàn)橢圓相交，這個(gè)方向就是第Ⅱ類(lèi)匹配的入射光角度，其本質(zhì)就是1個(gè)基頻光e光和1個(gè)基頻光o光轉(zhuǎn)化成倍頻光e光。并不是所有的材料在強(qiáng)激光的作用下都會(huì)產(chǎn)生非線(xiàn)性光學(xué)現(xiàn)象。這就意味著如左圖的正單軸晶體（例如石英晶體）在該情況下不會(huì)發(fā)生非線(xiàn)性效應(yīng)，無(wú)論哪個(gè)入射角度都不行。這里需要說(shuō)明一點(diǎn)：非線(xiàn)性并不一定是倍頻，講高次諧波會(huì)更合適一點(diǎn)。還可以用溫度的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)相位匹配。因?yàn)椴煌瑴囟葪l件下，材料的折射率是不一樣的，而且o光和e光的折射率變化程度也是不同的，所以我們就可以讓上圖在某個(gè)溫度條件下變成這個(gè)左圖。這樣就能實(shí)現(xiàn)非線(xiàn)性效應(yīng)了，而且90°的相位匹配方式可以提高非線(xiàn)性的轉(zhuǎn)換效率。非線(xiàn)性光學(xué)現(xiàn)象倍頻我們常說(shuō)的倍頻，其實(shí)用高次諧波表示更恰當(dāng)。其實(shí)就是用頻率為ω的激光，入射到非線(xiàn)性晶體上，產(chǎn)生2ω、3ω、4ω等高頻激光。光學(xué)混頻所謂混頻就是用頻率為ω1和頻率為ω2的激光，經(jīng)過(guò)非線(xiàn)性材料后產(chǎn)生ω2-ω1的差頻和ω2+ω1的和頻，所以有時(shí)候我們也叫做四波混頻，用這種方式就可以拓展電磁波的光譜范圍。當(dāng)然，還有一種反著來(lái)的方式，就是用參量放大的形式，把頻率為ω3的激光分解為ω1的信號(hào)光和ω2的閑頻光，通過(guò)這種方式可以用來(lái)得到一般激光器不能產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)。非線(xiàn)性光學(xué)晶體材料1.激光頻率轉(zhuǎn)換(變頻晶體)(1)紅外波段頻率轉(zhuǎn)換晶體黃銅礦結(jié)構(gòu)型晶體:AgGaS2;AgGaSe2;CdGeAs2等特點(diǎn):非線(xiàn)性光學(xué)系數(shù)很大,但能量轉(zhuǎn)換效率不高,受晶體光學(xué)質(zhì)量和尺寸大小的限制,得不到廣泛應(yīng)用.(2)從可見(jiàn)光到紅外波段的頻率轉(zhuǎn)換晶體磷酸鹽:磷酸二氫鉀(KDP)結(jié)構(gòu)型晶體和磷酸鈦氧鉀(KTP)型晶體

KDP特點(diǎn):具有優(yōu)良的壓電、電光和頻率轉(zhuǎn)換性能,易生長(zhǎng),得到廣泛應(yīng)用.KTP特點(diǎn):頻率轉(zhuǎn)換的“全能冠軍”材料碘酸鹽晶體:-碘酸鋰;碘酸;碘酸鉀等鈮酸鹽晶體:鈮酸鋰;鈮酸鉀;鈮酸鍶鋇等(3)紫外波段的頻率轉(zhuǎn)換晶體偏硼酸鋇(BBO)晶體:倍頻系數(shù)大,倍頻閾值功率高,能在較寬的波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)相位匹配,激光損傷閾值高,物理化學(xué)性能穩(wěn)定.三硼酸鋰(LBO)晶體:透光波段寬,非線(xiàn)性光學(xué)系數(shù)大,激光損傷閾值最高的非線(xiàn)性光學(xué)晶體材料.LAP晶體:非線(xiàn)性光學(xué)系數(shù)大,紫外三倍頻和四倍頻轉(zhuǎn)換效率高,可制多頻率轉(zhuǎn)換器.2.電光晶體磷酸二氘鉀;鈮酸鋰;鉭酸鋰;氯化亞銅等特點(diǎn):能滿(mǎn)足綜合性能要求的晶體很少,有待于進(jìn)一步探索新型晶體.3.光折變晶體鈦酸鋇;鈮酸鉀;鈮酸鋰等特點(diǎn):仍需要尋找具有光折變靈敏度高,響應(yīng)速度快,衍射效率高等特點(diǎn)的新型光折變晶體材料.二、非線(xiàn)性光學(xué)晶體應(yīng)具備的性能(一)大的非線(xiàn)性光學(xué)系數(shù)(二)適當(dāng)?shù)碾p折射率,能夠在應(yīng)用的波段區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)相位匹配,而且相位匹配的角度寬容度和溫度寬容度要大,如果能夠?qū)崿F(xiàn)非臨界相位匹配或通過(guò)溫度調(diào)諧等方法實(shí)現(xiàn)非臨界相位匹配則更好.(三)足夠高的抗光損傷閾值.(四)良好的化學(xué)穩(wěn)定性,不易風(fēng)化,不易潮解,在較寬的溫度范圍內(nèi)無(wú)相變,不分解,以保證能在沒(méi)有特殊保護(hù)的條件下長(zhǎng)期使用.良好的力學(xué)性能使晶體易于切割拋磨,鍍覆各種光學(xué)膜層,制作各種實(shí)用器件,也是十分重要的.我國(guó)先進(jìn)技術(shù)2016年，有這樣一篇文章：“十七年了！美驕傲公布：這一領(lǐng)域終于打破中國(guó)的技術(shù)封鎖！”內(nèi)容是這么講的：美國(guó)一家叫先進(jìn)光學(xué)晶體的公司聲稱(chēng)，其已研發(fā)出足以媲美中國(guó)產(chǎn)品的氟代硼鈹酸鉀晶體，也被稱(chēng)作KBBF，這是一種在制造深紫外激光器時(shí)必不可少的原件，沒(méi)有之一。該公司興奮的宣布，經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)，我們公司的部分技術(shù)指標(biāo)終于超越了中國(guó)同類(lèi)產(chǎn)品！聲明中還表示，這種KBBF晶體作為一種重要的戰(zhàn)略元件，將有力的提升美國(guó)國(guó)防水平，打破中國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)的技術(shù)封鎖。KBBF是一種非線(xiàn)性光學(xué)晶體，可以將激光的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為176納米，應(yīng)用到國(guó)防軍工領(lǐng)域，將大大提升激光反導(dǎo)彈系統(tǒng)、激光國(guó)土探測(cè)等各種技術(shù)水平。甚至世界各國(guó)的下一代戰(zhàn)略武器發(fā)展計(jì)劃，都繞不開(kāi)KBBF技術(shù)的支持。而這項(xiàng)技術(shù)，是由中科院的陳創(chuàng)天院士研發(fā)出來(lái)的，從1980年代就開(kāi)始積累相關(guān)技術(shù)，獨(dú)步全球。早些年，KBBF晶體主要應(yīng)用于激光研究，中國(guó)于是向全球科研機(jī)構(gòu)開(kāi)放供應(yīng)，后來(lái)呢，中國(guó)高層發(fā)現(xiàn)，西方越來(lái)越多的將其用于軍事上，一怒之下就發(fā)了禁令，拒絕向國(guó)外輸出。在激光晶體和非線(xiàn)性光學(xué)晶體領(lǐng)域，近幾十年以來(lái)，中國(guó)人的技術(shù)一直遙遙領(lǐng)先于全球。我國(guó)在非線(xiàn)性晶體領(lǐng)域最主要的成就是（1）發(fā)明了摻鎂LiNbO3晶體，通過(guò)摻雜使得LiNbO3的抗損傷閾值提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，大大開(kāi)拓了鈮酸鋰晶體的應(yīng)用領(lǐng)域；（2）在硼酸鹽系列中發(fā)現(xiàn)并研制出BBO、LBO、CBO、KBBF等一系列性能優(yōu)異的紫外非線(xiàn)性光學(xué)晶體，開(kāi)創(chuàng)了紫外激光倍頻的新紀(jì)元，使得人類(lèi)不斷向固體紫外激光的極限推進(jìn)；（3）首次在國(guó)際上用溶劑法生長(zhǎng)出可實(shí)際應(yīng)用的KTP大單晶，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，使KTP晶體在全世界得到普遍的應(yīng)用，促進(jìn)了激光技術(shù)的發(fā)展。（4）主導(dǎo)了周期、準(zhǔn)周期極化人工微結(jié)構(gòu)非線(xiàn)