非线性光学材料概述与分类

　　一.非线性光学材料概述

　　1.非线性光学材料是光学性质取决于入射光强度的材料，非线性光学特性也称为强光作用下的光学特性，主要是因为这些特性只有在激光这种强相干光的作用下才表现出来。利用非线性光学晶体的倍频、和频、差频、光参放大、多光子吸收等非线性过程，可以获得与入射光频率不同的激光，从而达到光频转换的目的。该类型晶体广泛应用于激光变频、四波混频、光束转向、图像放大、光信息处理、光存储、光纤通信、水下通信、激光对抗和核聚变等研究领域。我国在非线性光学晶体研制方面取得了突出成就，部分晶体处于国际领先地位。

　　2.选择非线性光学材料的主要依据如下：①具有较大的非线性极化率。这是基本但不是唯一的要求。由于当前激光器的功率可以达到很高的水平，即使非线性极化率不是很大，也可以通过增加入射激光功率来增强所要获得的非线性光学效应;②有合适的透明度和足够的光学均匀性，即在激光工作频段内，材料对光的有害吸收和散射损耗很小;③通过一定的方式可以实现相位匹配(见光相位复共轭);④材料的损伤阈值高，能承受较大的激光功率或能量; ⑤具有适当的响应时间，对不同脉冲宽度的脉冲激光或连续激光有充分的响应。

　　二.非线性光学材料的分类

　　1.二阶非线性光学材料

　　大多数二阶非线性光学材料是没有中心对称性的晶体。常用于光学倍频、混频和光学参量振荡等效应的晶体材料有两大类。一类是氧化物晶体，典型的有磷酸二氢钾(KDP)、磷酸二氘钾(KD*P)、磷酸二氢铵(ADP)、碘酸锂、铌酸锂等。这种类型比较适合在可见光下工作光和近红外频段。另一种类型是半导体晶体，通常如碲和微红色银矿(Ag3AsS3)。后一类更适合工作在中红外频段。

　　2.三阶非线性光学材料

　　三阶非线性光学材料的范围很广。由于不受中心对称性条件的限制，从产生三阶非线性极化率的机理来看，这些材料可以是气体、原子蒸气、液体、液晶、等离子体、各种晶体、光学玻璃等，可以说是截然不同。有些源于原子或分子的电子跃迁或电子云形状的扭曲;有些源自分子的操纵或重排;有些源自固体能带之间或之内的电子跃迁;有些源自固体中的各种元素激发，如激子、声子、各种极化子等的状态变化。

　　常见的三阶非线性光学材料包括： ①各种惰性气体，通常用于产生光学三次谐波和三阶混频，以获得紫外波长的相干光。②碱金属和碱土金属的原子蒸气，如Na、K、Cs原子和Ba、Sr、Ca原子等，通常用来产生共振三阶混合、受激喇曼散射、相干反斯托克斯喇曼散射等效应(见激光散射)实现激光在近红外、可见光和紫外波段的变频和频率调谐。③各种有机液体和溶液，如CS2、硝基苯、各种染料溶液等。由于这些介质具有较大的三阶非线性极化率，因此常被用来进行各种三阶非线性光学效应的实验观察。如光学克尔效应、受激布里渊散射、简并四波混频、光学相位复共轭效应、光学双稳态效应等，都在此类介质中进行了实验研究。④液晶相和各向同性相的各种液晶。由于液晶分子的取向具有较长的弛豫时间，液晶的各种非线性光学效应各有特点并引起人们特别的兴趣。例如，它已被用于研究光学自聚焦和非线性标准具效应的瞬态行为。⑤一些半导体晶体。最近发现一些半导体，如InSb，在红外区具有非常大的三阶非线性极化率，适合制作各种非线性器件，如光学双稳态器件。

　　延伸阅读：

　　非线性光学材料具有以下特点：

　　1.非线性响应：这类材料的光学特性(如折射率、极化强度等)并不简单地与入射光的强度成正比，即其响应是“非线性的”。这意味着随着光强度的增加，材料的光吸收、散射、透射或反射特性会发生显着变化。

　　2.非中心对称性：二阶非线性光学效应通常需要不具有中心对称性的材料，从而允许在强激光照射下发生二次谐波、和频和差频过程以及光学参数放大。以及非线性光学现象，例如光学克尔效应。

　　3.大非线性极化率：有效的非线性光学材料应具有大的二阶非线性极化率(χ⁽²⁾)，以增强非线性光学效应的效率。该特性取决于材料分子或晶格结构的不对称性。

　　4.宽带隙：许多非线性光学材料都是半导体，具有宽带隙，有利于减少工作波长下的吸收损耗，从而提高非线性光学转换效率。

　　5.稳定性和兼容性：良好的非线性光学材料还需要具有化学和热稳定性，能够在广泛的温度和环境条件下保持性能，并且易于与其他光学元件集成。

　　6.响应时间快：一些聚合物非线性光学材料响应速度非常快，低于皮秒甚至飞秒级别，使其适合超快光子学应用。

　　7.各向异性和可调谐性：一些非线性光学材料允许通过离子交换或其他方式调节其非线性光学特性，以实现特定方向的增强或不同波长范围内的有效非线性响应。

　　8.加工方便：易于加工成各种形状和尺寸的光学元件，如晶体、薄膜或光纤，以满足不同应用场景的需求。