非线性光学材料 一、概述

20 世纪 60 年代 , Franken 等人用红宝石激光束通过石英晶体 , 首次观察到倍频效应 , 从而宣告了非线性光学的诞生,非线性光学材料也随之产生。

定义:可以产生非线性光学效应的介质 (一 、非线性光学效应

当激光这样的强光在介质传播时,出现光的相位、 频率、 强度、或是其他一些传播特 性都发生变化,而且这些变化与入射光的强度相关。

物质在电磁场的作用下 , 原子的正、负电荷中心会发生迁移 , 即发生极化 , 产生一诱导 偶极矩 p 。在光强度不是很高时 , 分子的诱导偶极矩 p 线性正比于光的电场强度 E 。然而 , 当光强足够大如激光时 , 会产生非经典光学的频率、相位、偏振和其它传输性质变化的新 电磁场。分子诱导偶极矩 p 就变成电场强度 E 的非线性函数 , 如下表示 :

p = α E + β E2 + γ E3 + ??

式中 α为分子的微观线性极化率 ; β为一阶分子超极化率 (二阶效应 ,γ为二阶分子超极 化率 (三阶效应 。即基于电场强度 E 的 n 次幂所诱导的电极化效应就称之为 n 阶非线性 光学效应。

对宏观介质来说 ,

p = x (1 E + x(2 E2 + x (3E3 + ??

其中 x (1 、 x(2 、 x(3 ? ? 类似于 α、 β、 γ? ? , 表示介质的一阶、 二阶、 三阶等 n 阶 非线性系数。因此 , 一种好的非线性光学材料应是易极化的、具有非对称的电荷分布的、 具有大的 π电子共轭体系的、非中心对称的分子构成的材料。

另外 , 在工作波长可实现相 位匹配 , 有较高的功率破环阈值 , 宽的透过能力 , 材料的光学完整性、均匀性、硬度及化学 稳定性好 , 易于进行各种机械、光学加工也是必需的。易于生产、价格便宜等也是应当考 虑的因素。

目前研究较多的是二阶和三阶非线性光学效应。 常见非线性光学现象有:

①光学整流。 E 2项的存在将引起介质的恒定极化项,产生恒定的极化电荷和相应的 电势差, 电势差与光强成正比而与频率无关, 类似于交流电经整流管整流后得到直流电压。 ②产生高次谐波。 弱光进入介质后频率保持不变。 强光进入介质后, 由于介质的非线 性效应, 除原来的频率 ω外, 还将出现 2ω、 3ω、 ……等的高次谐波。 1961年美国的 P.A. 弗兰肯和他的同事们首次在实验上观察到二次谐波。 他们把红宝石激光器发出的 3千瓦红 色(6943埃激光脉冲聚焦到石英晶片上,观察到了波长为 3471.5埃的紫外二次谐波。 若把一块铌酸钡钠晶体放在 1瓦、 1.06微米波长的激光器腔内, 可得到连续的 1瓦二次谐 波激 光,波长为 5323埃。非线性介质的这种倍频效应在激光技术中有重要应用。

③光学混频。当两束频率为 ω1和 ω2(ω1>ω2的激光同时射入介质时,如果只考虑 极化强度 P 的二次项,将产生频率为 ω1+ω2的和频项和频率为 ω1-ω2的差频项。利用 光学混频效应可制作光学参量振荡器,这是一种可在很宽范围内调谐的类似激光器的光 源,可发射从红外到紫外的相干辐射。

④受激拉曼散射。 普通光源产生的拉曼散射是自发拉曼散射, 散射光是不相干的。 当 入射光采用很强的激光时, 由于激光辐射与物质分子的强烈作用, 使散射过程具有受激辐 射的性质, 称受激拉曼散射。 所产生的拉曼散射光具有很高的相干性, 其强度也比自发拉 曼散射光强得多。 利用受激拉曼散射可获得多种新波长的相干辐射, 并为深入研究强光与

物质相互作 用的规律提供手段。

⑤自聚焦。 介质在强光作用下折射率将随光强的增加而增大。 激光束的强度具有高斯 分布, 光强在中轴处最大,并向外围递减,于是激光束的轴线附近有较大的折射率,像凸 透镜一样光束将向轴线自动会聚, 直到光束达到一细丝极限 (直径约 5×10-6米 , 并可在 这细丝范围内产生全反射,犹如光在光学纤维内传播一样。

与自聚焦同样原理的另一种现象叫自散焦。

⑥光致透明。弱光下介质的吸收系数(见光的吸收与光强无关,但对很强的激光, 介质的吸收系数与光强有依赖关系, 某些本来不透明的介质在强光作用下吸收系数会变为 零。

(二 、非线性光学材料种类 1、无机非线性光学晶体 2、有机非线性光学晶体 3、无机 - 有机杂化材料等

(三 、应用:广泛应用于激光技术和光谱技术 1、在倍频激光器中获得倍频光

2、用作光学参量振荡器,制成宽光谱范围的课调谐单色光源 3、实现将红外光变为可见光的频率转换 4、被认为是用于开发光计算机的关键材料 二、常见的非线性光学材料 2. 1 无机非线性光学材料

在二次非线性光学材料应用上 , 无机材料很长时间处于主要地位 , 取得了巨大的进展 , 至今已在许多装置中获得应用。 与有机材料比 , 无机材料通常更稳定 , 它