11 非线性光学材料.ppt

第十一章 非线性光学材料 11.1 非线性光学材料的基本原理 11.2 二阶非线性光学材料 11.3 三阶非线性光学材料 11.4 有机和聚合物非线性光学材料 教学目标及基本要求 掌握非线性光学材料的基本原理，二阶非线性光学材料。 熟悉和了解三阶非线性光学材料，有机和聚合物非线性光学材料。 教学重点和难点 （1）非线性光学效应，二阶非线性光学效应举例（倍频，光整流）； （2）二阶非线性光学材料的特征值（位相匹配）。 第十一章 非线性光学材料 非线性光学材料是指对于激光强电场，显示二次以上非线性物理响应的材料。 由于它具有波长变换、增大振幅、开关、记忆等许多元件功能，因此作为21世纪信息处理和光计算技术的基本元件而引人注目。近年来光纤通讯、光信号处理和光计算的发展极大地推动了非线性光学材料的研究。 11.1 非线性光学材料的基本原理 一、非线性光学效应 非线性效应起源于介质的极化。当光通过物质时能使该物质产生诱导极化。当光电场E较弱时，所诱导的极化强度P可表示为 两式对比，式中第一项是线性极化项，第二项以后是非线性极化项。并把所含的χ(n)项的效应称为n阶非线性光学效应。 由于一般的χ(2)、χ(3)等很小，当光电场E小时，就只能看到线性光学效应。当在强激光电场下，高次项不能被忽视，而出现非线性效应。χ(n)随着n的增大，以约10-6的比例减少，所以四次以上的效应可以忽略不计。 χ(2)效应只能在没有对称中心的聚集体中观察到,而χ(3)效应即使在中心对称的聚集体中也能看到.激光出现前无法观察到非线性光学效应. 二、二阶非线性光学效应举例 入射激光激发非线性晶体的非线性变化，发生光波间的非线性参量的相互作用。基于二阶非线性光学材料的光频转换，由三束相互作用的光波（ω1、ω2、ω3）的混频来决定。 图11－1 红外光上转换成可见光 图11－1表示红外如何倍频率上转换成可见光的系统。 设光电场为E，频率为ω，时间为t，两个入射光电场可分别表示为 当ω1+ω2=ω3时，光波参量作用由ω1和ω2产生和频光，和频产生的二次谐波频率大于基频光波频率（波长变短），这种过程称之为上转换。 当ω1=ω2=ω，则ω3=ω1+ω2=2ω，二阶极化率为 当ω1=ω2，则ω3=ω1-ω2 =0，二阶极化率为 表11－1 各种非线性光学效应及其应用 11.2 二阶非线性光学材料 二阶非线性光学材料是一类具有大的二阶非线性极化率，能产生强的二阶非线性光学效应的材料。 一、二阶非线性光学材料的特征值 1、二阶非线性光学系数 在三维空间的情况下，光电场E在直角坐标系中每一个分量Ej（j=x、y、z）在三个坐标轴方向均产生感应极化。所以，介质极化强度的三个分量Pi（i=x、y、z）是由光电场的各个分量Ei产生的极化所组成。因此，三维空间的二次极化率P(2)是Ej和Pi相关的一组物理量的集合，其表达式为 二次极化率χijk是一组数的集合，共有27个分量，其中有18个独立分量，并把dil称为二阶非线性光学系数。 二阶非线性光学系数dil由晶体材料所属晶系和均匀性所决定。在非线性光学材料中，不同频率的光波的互相影响和能量转换是通过dil来耦合的，dil值越大，它们之间的耦合作用就越强，dil值既可根据晶体的结构对称性和极化模型从理论上计算出来，也可通过实验测得。 2、二次谐波的倍频效率ηSHG 当两个入射光波场的频率相同，即ω1=ω2=ω时，它们和频作用的结果，将产生一频率为两倍于入射光波场的电磁波，这就是倍频效应，入射波称基频波，产生的倍频波称二次谐波。 在倍频技术中，倍频光输出功率P2ω与基频光输入功率Pω之比称为二次谐波的倍频效率ηSHG，即 3、位相匹配因子和位相匹配 （1）位相匹配因子：取值条件： 当Δk=0时， ，ηSHG达到最大值； 当Δk≠0时，ηSHG由最大值下降 倍； 当Δk=2π/L时， ，故ηSHG=0，这时无倍频光输出。 （2）位相匹配：光在介质中传播引起介质的极化所发射的非线性倍频波的相位匹配，是光的加强，而不引起干涉，否则就不能有效辐射出倍频光。要实现位相匹配，要求基频光和倍频光在非线性介质中有相同的传播速度。换句话说，实现位相匹配的条件是介质对基频光的折射率与倍频光的折射率相等。 二、二阶非线性光学材料要求及种类 作为理想的二阶非线性光学材料除了应该满足具有非中心对称结构外，还应具有非线性光学系数要大，容易实现位相匹配，材料的光学均匀性好，折射率处处均匀一致，高的透明度，宽的透明波段，强光作用不易发生损伤，光损伤阈值高，易长成大尺寸透明晶体等特性。 二阶非线性光学材料按照其