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吡啶盐衍生物分子非线性光学性质的理论研究

非线性光学晶体的研究现状

非线性光学晶体的研究现状摘要本文论述了近几年的非线性光学晶体的研究现状，重点介绍了非线性光学晶体中的两大类：无机非线性晶体和有机非线性晶体的研究现状。关键字：非线性光学晶体；无机；有机；现状； 1.引言 1961年, Franken首次发现了水晶激光倍频现象。这一现象的发现,不仅标志着非线性光学的诞生, 而且强有力地促进了非线性光学晶体材料的迅速发展。随着非线性光学的深入研究和新型材料的不断发展, 使得非线性光学晶体材料在信息通讯、激光二极管、图像处理、光信号处理及光计算等众多领域都具有极为重要的作用和巨大的潜在应用,这些研究与应用对非线性光学晶体又提出了更多更高的物理化学性能要求, 同时许多应用也还在层出不穷地发展中,正是由于非线性光学晶体有着如此广阔的应用前景以及这些应用可能带来的光电子技术领域的重大突破,所以寻找与合成性能优异的新型非线性光学晶体一直是一个非常重要的课题,成为该领域人们关注的热点之一。 2.无机非线性光学晶体无机非线性光学晶体是人们研究得较早的非线性光学材料, 大致可分为:(1)无机盐类晶体,包括硼酸盐、磷酸盐、碘酸盐、铌酸盐、钛酸盐等盐类晶体;(2)半导体型非线性光学晶体, 如Te、Se、GaAs、ZnSe、CdGeAs2 和CdGe(As1-xP)2等。随着激光科学与技术的不断发展,在频率转换方面,无机非线性光学晶体材料起着越来越重要的作用,下面我简单介绍几种。 (1)Cr : KTP晶体晶体磷酸钦氧钾(KITOPO4,KTP )是一种具有优良性能的非线性光学晶体,具有非线性光学系数大, 透光波段宽,化学性能稳定,耐高温等特性.现已广泛地被用于激光频率转换领域.近些年来,随着光电子技术的发展,人们对掺杂KTP型晶体进行了多方面的研究,已形成了一系列KTP晶体家族.掺入有价值的稀土离子并使其符合发光要求,可获得激光自倍频晶体.1990年,LinJT首次简单地报道了Cr: KTP晶体实现激光自倍频运转情况. Cr : K T P 晶体的荧光发射波段为8 00-8 50n m, 可望在自倍频后转换成波长为400-425nm的蓝色激光输出.但Cr: K T P晶体对蓝光有较强的吸收, 可采用晶体的定向生长方法来加以弥补.波长800-850nm 的基频光, 远小于KTP晶体的n类位相匹配的截止波长(1000nm左右), 因此, 当Cr :KTP晶体自倍频时, 只能使用I类位相匹配,而I类相匹配的有效非线性光学数相当小.但随着对KTP晶体应用研究的深入,特别是它在光波导领域中的应用,人们已成功地研制出多种新的位相匹配技术,如准位相匹配技术,实现了高效率I类倍频转换,输出波长范围为380-480nm,效率已超过50 % /w·cm2, 这些新的应用技术的发明,为进一步研究Cr:KTP晶体的激光自倍频效应展示出广阔的应用前景。（2）AgGaS2 和AgGaSe2 晶体 AgGaS2 属于黄铜矿结构的晶体,点群42m。其透过范围从0.53 ～12μm。尽管它是以上提到的所有红外晶体中非线性光学参数最小的,但由于它达到550 nm的超短波透明性, 可用在Nd:YAG激光器泵浦的OPO中以及使用二氧化碳、Ti:蓝宝石、Nd:YAG与IR 染料,波长范围3-12μm的激光器的各种不同混频试验中。它还应用于直接对抗红外系统和CO2激光器的SHG。 AgGaSe2 也属于黄铜矿结构。具有0.73 ～18μm的透过波段范围。它的有效传输范围是0.9 ～16 μm,当使用各种现行常用的激光器泵浦时,其相位匹配范围大的特点使其应用到OPO中具有很大潜力;当使用波长2.05μm的Ho:YLF激光器泵浦时, 波长在 2.5 ～

非线性光学材料小结

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 (3)E3 + ?? 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。E2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

非线性光学考试知识答案

1 说出电极化率的 4 种对易对称性，并说明满足的条件本征对易对称性（不需要任何条件）、完全对易对称性（介质无耗）、时间反演对称性（介质无耗）、空间对称性χ （1）是对称张量（介质无耗）； 2 说出下式的物理意义：表示由频率为ωm ，场振动方向为x 方向的场分量E x (ωm )，频率为ωn 、场振动方向为y 方向的场分量E y (ωn )以及频率为ωl ，场振动方向为z 方向的场分量E z (ω1 )三者间的非线性相互作用所引起的在x 方向上的三阶非线性电极化强度的一个分量。 3 对于二次谐波和三次谐波，相干长度的物理意义参量过程中的位相匹配有和物理意义举例说明两种实现位相匹配的方法 1）Lc 物理意义: 三次谐波强度第一次达到其最大值的路程长度，典型值为1～100mm.如?K=0，Lc 为无穷大。 2) 位相匹配的物理意义：在位相匹配条件下，二次谐波和三次谐波等非线性效应产生过程效率会大到最高，相应的位相不匹配条件下，产生效率会大大降低。 3）利用晶体的双折射特性补偿晶体的色散效应，实现相位匹配。在气体工作物质中，利用缓冲气体提供必要的色散，实现相位匹配。 4 为什么参量振荡器能够产生连续输出频率，而激光器只能输出单个频率能量守恒 ω3=ω1+ω2 动量守恒 n 3ω3=n 1ω1+n 2ω2 改变温度、角度(对非常光)、电场、压力等可改变晶体的折射率，从而改变参量振荡器的输出频率?1，?2。因此参量振荡器可实现连续调谐。而激光振荡器是利用原子跃迁的机理工作的，不能连续调谐。这是参量振荡器和激光振荡器的区别 5 在拉曼散射中，为何观察不到高阶斯托克斯散射在受激拉曼散射中，高阶斯托克斯散射光却较强高阶斯托克斯光的散射角有什么变化规律由?p ，?s 非线性作用产生。如一级反斯托克斯散射光??s =?p +?v = ?p + ?p - ?s 由?p , ?p , ?s 通过三阶非线性产生。代入上式，一级反斯托克斯散射光只有满足相位匹配条件：时才能有效地产生。高阶斯托克斯光散射角变化规律：斯托克斯散射光都是沿着与入射光方向成θ角的圆锥(3)0(,,)()()()exp[()] xxyz m n l x m y n z l m n l E E E i t εχωωωωωωωωω-++(3)'(3)0(,)3(,)()()()s p p s p p s r ωεωωωωωω=-M P a a a χ(,)(,)(,)exp[(2)] *p p s p s E r E r E r i ωωω?-?K K r 101p s s ?--='K =2K K K

半导体纳米材料的光学性能及研究进展

?综合评述? 半导体纳米材料的光学性能及研究进展Ξ 关柏鸥　张桂兰　汤国庆 (南开大学现代光学研究所,天津300071) 韩关云 (天津大学电子工程系,300072) 摘要　本文综述了近年来半导体纳米材料光学性能方面的研究进展情况,着重介绍了半导体纳米材料的光吸收、光致发光和三阶非线性光学特性。关键词　半导体纳米材料;光学性能 The Optica l Properties and Progress of Nanosize Sem iconductor M a ter i a ls Guan B ai ou　Zhang Gu ilan　T ang Guoqing　H an Guanyun (Institute of M odern Op tics,N ankaiU niversity,T ianjin300071) Abstract　T he study of nano size sem iconducto r particles has advanced a new step in the understanding of m atter.T h is paper summ arizes the p rogress of recent study on op tical p roperties of nano size sem icon2 ducto r m aterials,especially emphasizes on the op tical2abso rp ti on,pho to lum inescence,nonlinear op tical p roperties of nano size sem iconducto r m aterials. Key words　nano size sem iconducto r m aterials;op tical p roperties 1　引言随着大规模集成的微电子和光电子技术的发展,功能元器件越来越微细,人们有必要考察物质的维度下降会带来什么新的现象,这些新的现象能提供哪些新的应用。八十年代起,低维材料已成为倍受人们重视的研究领域。低维材料一般分为以下三种:(1)二维材料,包括薄膜、量子阱和超晶格等,在某一维度上的尺寸为纳米量级;(2)一维材料,或称量子线,线的粗细为纳米量级;(3)零维材料,或称量子点,是尺寸为纳米量级的超细微粒,又称纳米微粒。随着维数的减小,半导体材料的电子能态发生变化,其光、电、声、磁等方面性能与常规体材料相比有着显著不同。低维材料开辟了材料科学研究的新领域。本文仅就半导体纳米微粒和由纳米微粒构成的纳米固体的光学性能及其研究进展情况做概括介绍。2　半导体纳米微粒中电子的能量状态当半导体材料从体块减小到一定临界尺寸以后,其载流子(电子、空穴)的运动将受限,导致动能的增加,原来连续的能带结构变成准分立的类分子能级,并且由于动能的增加使得能隙增大,光吸收带边向短波方向移动(即吸收蓝移),尺寸越小,移动越大。关于半导体纳米微粒中电子能态的理论工作最早是由AL.L.Efro s和A.L.Efro s开展的[1]。他们采用有效质量近似方法(E M A),根据微粒尺寸R与体材料激子玻尔半径a B之比分为弱受限(Rμa B,a B=a e+ a h,a e,a h分别为电子和空穴的玻尔半径)、中等受限(a h

光学参数研究现状

双积分球技术近年来，激光在生物医学上的应用得到人们越来越广泛的关注，其中生物组织光学特性在光与组织体的相互作用中扮演着重要的角色。组织光学特性参数用来表述组织的光学性质，为临床的医疗诊断和治疗提供参数指标，对医学领域的相关应用有重要的指导意义。生物组织是一种复杂介质，是一种高散射随机介质，研究光与这种随机介质的相互作用并通过相互作用来反映有关组织内部的特征信息是近几年光学技术研究较为活跃的前沿领域之一，并逐步发展成为一种新兴学科分支——组织光学。组织光学的核心是发挥光子学测量的实时、无损或微创等优势，利用各种光子学技术，通过测量组织光学特性参数的变化来揭示生物组织结构与功能的变化。因此，光学特性参数的测量对组织光学至关重要。随着激光生物医学的普及，特别是各种新型激光器的出现，激光正广泛应用于生物医学领域的各个方面。令人遗憾的是，目前有关激光生物医学领域的基础研究并未跟上临床应用，实际的应用中还存在着很大的盲目性，“经验"起着很重要的作用。其主要的原因在于，对激光与生物组织相互作用机理认识不足。为研究光与组织的相互作用，诸多模型被提出来了，这些模型的准确性取决于组织光学特性参数的测量。因此，光学特性参数的准确测量对组织光学至关重要，它是进一步研究光在生物组织中传播的基础，对激光外科，光动力疗法等激光临床应用都有重要的指导意义。凡是与光学参数有关的关系和规律，均可成为测量的依据和原理，因而组织体光学特性参数的测量方法及所涉及的内容几乎包罗万象。测量组织光学特性参数方法有时间分辩、空间分辩、频率调制，超快时间分辩谱和空间分辨谱，积分球技术甚至神经网络技术等等。各种测量方法各有千秋，双积分球技术是目前公认最为精确的一种测量技术。该技术采用的是一种离体的间接光学特性参数测量方法，是将积分球系统及传输理论的精确解结合起来实现的。在己知生物组织样品厚度的情况下，利用积分球系统测量组织样品的反射率，透射率以及准直透射率，而后再根据特定的组织体光学传输模型就可以获得组织体的主要光学特性参数。它能够同时获取离体生物样品的各项光学特性参数，并且可以分别考虑组织的层状结构，如可以对离体的真皮和表皮分别进行测量，是研究组织光学的一种重要方法。生物组织中的光传输以及生物组织的光学特性是生物医学光子学重要的研究内容，在医学上对疾病的光诊断和光治疗有重要的理硷和实际的意义。因此本论文对光在生物组织中的传输以及生物组织光学特性参数的测量进行了理论和实验研究。从光的传输理论出发，在漫射近似下获得了生物组织内光传输的漫射近似方程，并且在不同的边界条件下对无限细光束垂直入射到半无限大组织的漫射方程进行了求解，给出了组织表面漫反射系数的时间和空间分辨的表达式。生物组织是由不同大小、不同成分的细胞和细胞问质组成的，对可见光和近红外光通常呈现出不透明、混沌和高散射的特点。光在生物组织传播是一个很复杂的过程，其主要特点是生物组织对光波的散射和吸收。确定生物组织光学特性参数是医学诊断和治疗领域中迫切需要解决的问题，是生物医学光子学研究的热点之一。目前，生物组织光学特性参数的测量方法主要有直接测量法和间接测量法，其中活体组织的无损测量法是研究的热点。出于生物组织结构的多样性和复杂性，从目前国内外报道的研究和测量结果来看，所获得的生物组织的光学特性参数有较大的离散性，表明光传输理论或其他相关的理论尚有待进一步完善，依据光传输理论所建立测量方法与技术尚在理论和实验研究阶段，对于实际医学临床的使用还有大量的工作要做。另一方面，传统的光学参数有时并不适合于实际应用，寻找新的参数，使其能够更准确、更具特异性的体现生物组织的特性，也是今后这方面工作的一个重点。历史上曾经提出两科t不同的理论来处理光波在随机分布粒子群中的传播问题，一种称为解析理论，另一种称为输运理论。解析理论也称为多次散射理论，它从Maxwell方程或波动方程这种基本微分方程出发，引进粒子的散射和吸收特性，并求出方差和相关函数这些统计量的适当的微分方程或积分方程。原则上，这种理论考虑了多次散射、衍射和干涉效应，在这个意义上说，它在数学上是严格的。但是，实际上它不

新型粉末材料的非线性光学特性研究(一)

新型粉末材料的非线性光学特性研究(一) 摘要：多年来人们对粉末物质的非线性光学性质的研究非常重视，出现过很多种处理方法。介绍了非常简便易行的处理方法，并用这种方法检测了新合成的插层高岭土材料的非线性光学性质初步研究结果，测量了它的光强角分布情况，观察到在其反射角和透射角附近光强都有一个峰值，但在小角度入射的情况下反射散射的峰值不会与法向的强度值偏离很大，透射散射的强度会随入射角度的减小而增强。关键词：粉末样品;插层复合物;非线性光学材料;相位匹配 1引言随着科学的迅速发展，新材料不断出现，人们对材料的非线性光学性质很关注。测量物质的非线性光学性质的方法很多，如：场诱导二次谐波(EFISHG)、溶剂变色法、电晕极化法(基于电光系数测量和二次谐波的测量)和Kurtz粉末法，前两种方法用于溶液的测量,能获得有机分子的一阶超极化率(以测定极化聚合物薄膜的二阶非线性系数,从而推算出掺杂或功能化极化聚合物薄膜中生色团分子的β值)。上述三种方法均可获得分子的β值，而Kurtz粉末法测量的是粉末产生的二次谐波(SHG)信号，尽管不及上述方法精确，但直接反映出了NLO微晶的光学性质，既可半定量评价其非线性光学性质，又可指导NLO晶体生长。本实验自己设计了一套处理粉末样品而不同于Kurtz粉末法的实验方法，研究了插层高岭土材料粉末的NLO性质。 2样品的制备纯高岭土在出现层状结构001面的特征衍射峰值，根据Bragg方程可计算出高岭土片层间距为0.715nm。通过向高岭土的层间填加有机化合物我们制备成了两种插层高岭土，一种是高岭土/对硝基苯胺（PNA/Kao）插层复合物，这是将纯对硝基苯胺（PNA）通过一定的手段插入到高岭土的层内得到的；另一种是高岭土/苯甲酰胺（BZ/Kao）插层复合物，它是将纯苯甲酰胺（BZ）渗入到高岭土的层内得到的。这两种插层复合物均为粉末状，为便于实验中的夹固我们将这些粉末晶粒用KBr黏结制成薄片状。同时，我们还将纯KBr、纯对硝基苯胺（PNA）、纯苯甲酰胺（BZ）和纯高岭土用相同的方法制成片状，以便区分插层复合物本身的性质和参加制备样品的各成分的性质，排除干扰现象，从而获得插层复合物本身的一些特有的光学性质，为分析复合物的结构或各成分含量等提供依据。 3实验装置实验装置如图1所示，当入射光以一定的角度入射时，在反射与透射反射与透射方向都将有信号，图1为透射式探测，倍增管与入射光在样品的两侧，若要检测反射的信号，倍增管（PMT）与入射光在样品的同一侧，我们测量了两种探测方式的散射光强角分布。采用148型激光功率计算，在入射角固定的情况下，测量了在不同散射角处不同材料对应的散射光功率。图1 我们采用波长632.8nm的He-Ne激光器作为激发源，对于非相位匹配材料，样品对632.8nm 的散射的角分布与1064nm的散射角分布以及532nm的散射角分布相同，所以固定He-Ne 激光对样品的入射方向，用激光功率计来探测不同方向上的散射光可以得到不同入射角对应的散射光强角分布。 4光强角分布图图2纯粉末状PNA/Kao的散射光强角分布图3黏结的PNA/Kao不同入射角对应的光强角分布图4不同入射角时纯粉末PNA/Kao的散射光强角分布图5黏结的PNA/Kao对不同入射角的散射光强角分布通过上面的操作我们得到了用KBr黏结的高岭土/对硝基苯胺（PNA/Kao）插层复合物的光强

光子筛光学特性分析及应用研究

光子筛光学特性分析及应用研究 X射线和极紫外波段在光刻、空间望远镜、X射线光谱检测和高分辨率显微镜等领域有不可替代的作用。但是在X射线和极紫外波段大多数传统的光学材料的折射率接近或者小于1,不能作为透镜来聚焦和成像。波带片通过相位调制来实现聚焦,不受波长的限制,是X射线和极紫外波段的重要衍射透镜。波带片的分辨率受限于其最外环的尺寸,为了寻求更高的分辨率,2001年德国科学家L.Kipp等人首次提出使用光子筛来代替波带片。结构上光子筛采用大量的微孔代替菲涅尔波带片的环带结构,相对于波带片具有以下优点:首先,在相同的特征尺寸条件下,具备更大数值孔径,实现更高分辨力,而且小孔衍射可以抑制部分高阶衍射,压低聚焦光斑的旁瓣;其次,光子筛的微孔分布没有打断结构的连续性,不需要额外的衬底作为支撑,可以制作为薄膜光学元件,具有大口径,质量轻,体积小等优点;再者,光子筛小孔排布为设计提供了更多的可能性,可以通过改进光子筛设计达到优化聚焦成像以及实现特殊光场分布等目的。本文针对光子筛成像和聚焦两大问题,开展光学性能分析和应用研究。在光子筛聚焦方面,之前的国内外学者主要将精力集中在光子筛聚焦性能的改进,比如分辨率,衍射效率和焦深等,对光子筛聚焦时多焦点的现象研究不足。本文研究了光子筛多焦点机理,将光子筛和伽伯波带片结合,设计了单焦点光子筛,并进行了模拟仿真和实验验证,证明单焦点光子筛可以减弱聚焦时的背景光,提高图像的信噪比。并利用光子筛微孔排布的自由度,设计了交错式光子筛,简单的改变光子筛环带,利用光子筛聚焦来实现局域空心光束,光场计算和实验证明了其可行性,并可以产生极小尺寸的空心光斑,该结构在光镊、粒子约束和原子冷却中具有重要应用。

液晶的光学特性分析

液晶的光学特性分析光的偏振性光矢量麦克斯韦在电磁波理论中指出电磁波是横波，由两个相互垂直的振动矢量即电场强度E和磁场强度H来表征，由于人们从光的偏振现象认识到光是横波，而且光速的测量值与电磁波速的理论计算值相符合，所以肯定光是一种电磁波，大量试验表明：在光波中产生感光作用和生理作用的是电场强度E，所以规定E 为光矢量，我们把E的振动称为光振动，光矢量E的方向就是光振动的方向。自然光：一个原子或分子在某一瞬间发出的光本来是有确定振动方向的光波列，但是通常的光是大量原子的无规率发射，是一个瞬息万变、无序间歇过程，所以各个波列的光矢量可以分布在一切可能的方位，平均来看，光矢量对于光的传播方向成对成均匀分布，没有任何一个方位较其它方位更占优势，这种光就叫自然光。自然光在反射、散射或通过某些晶体时，其偏振状态会发生变化。例如阳光是自然光，但经天空漫射后是部分偏振的，一些室内的透明塑料盒，如录音带盒，在某些角度上会出现斑澜色彩，就是偏振光干涉的结果。自然光的分解：在自然光中，任何取向的光矢量都可分解为两个相互垂直方向上的分量，很显然，自然光可用振幅相等的两个相互垂直方向上的振动来表示。应当指出，由于自然光中振动的无序性，所以这两个相互垂直的光振动之间没有恒定的位相差，但应注意的是不能将两个相位无关联的光矢量合成为一个稳定的偏振光，显然对应两个相互垂直振动的光强各为自然光光强的一半。如果采用某种方法能把两个相互垂直的振动之一去掉，那就获得了线偏振光，如果只能去掉两个振动之一的一部分，则称为部分偏振光。

偏振光线偏振光：如果光矢量在一个固定平面内只沿一个固定的方向振动，这种光称为线偏振光，也叫面偏振光或全偏振光，线偏振光的光矢量方向和传播方向构成的平面称为振动面，线偏振光的振动面是固定不变的。部分偏振光：这是介于偏振光和自然光之间的一种偏振光，在垂直于这种光的传播方向的平面内，各方向的振动都有，但它们的振幅不相等。值得注意的是，这种偏振光的各方向振动的光矢量之间也没有固定的相位关系，与部分偏振光相对应，有时称线偏振光为完全偏振光。圆偏振光和椭圆偏振光：这两种光的特点是在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量按一定频率旋转(左旋或右旋)，如果光矢量端点的轨迹是一个圆，这种光叫圆偏振光；如果光矢

科普文：线性光学、非线性光学

科普文：线性光学、非线性光学现代光学的一个分支，研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。激光问世之前，基本上是研究弱光束在介质中的传播，确定介质光学性质的折射率或极化率是与光强无关的常量，介质的极化强度与光波的电场强度成正比，光波叠加时遵守线性叠加原理（见光的独立传播原理）。在上述条件下研究光学问题称为线性光学。对很强的激光，例如当光波的电场强度可与原子内部的库仑场相比拟时，光与介质的相互作用将产生非线性效应，反映介质性质的物理量（如极化强度等）不仅与场强E的一次方有关，而且还决定于E的更高幂次项，从而导致线性光学中不明显的许多新现象。介质极化率P与场强的关系可写成 P＝α1E＋α2E2＋α3E3＋… 非线性效应是E项及更高幂次项起作用的结果。发展简史非线性光学的早期工作可以追溯到1906年泡克耳斯效应的发现和1929年克尔效应的发现。但是非线性光学发展成为今天这样一门重要学科，应该说是从激光出现后才开始的。激光的出现为人们提供了强度高和相干性好的光束。而这样的光束正是发现各种非线性光学效应所必需的(一般来说，功率密度要大于10～10W/cm,但对不同介质和不同效应有着巨大差异)。自从1961年P.A.弗兰肯等人首次发现光学二次谐波以来，非线性光学的发展大致经历了三个不同的时期。第一个时期是1961～1965年。这个时期的特点是新的非线性光学效应大量而迅速地出现。诸如光学谐波、光学和频与差频、光学参量放大与振荡、多光子吸收、光束自聚焦以及受激光散射等等都是这个时期发现的。第二个时期是1965～1969年。这个时期一方面还在继续发现一些新的非线性光学效应，例如非线性光谱方面的效应、各种瞬态相干效应、光致击穿等等；另一方面则主要致力于对已发现的效应进行更深入的了解，以及发展各种非线性光学器件。第三个时期是70年代至今。这个时期是非线性光学日趋成熟的时期。其特点是：由以固体非线性效应为主的研究扩展到包括气体、原子蒸气、液体、固体以至液晶的非线性效应的研究；由二阶非线性效应为主的研究发展到三阶、五阶以至更高阶效应的研究；由一般非线性效应发展到共振非线性效应的研究；就时间范畴而言，则由纳秒进入皮秒领域。这些特点都是和激光调谐技术以及超短脉冲激光技术的发展密切相关的。常见非线性光学现象有：①光学整流。E2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

有机非线性光学材料

有机非线性光学材料杨韶辉摘要: 该文简要介绍非线性光学材料及其特性，阐述了有机非线性光学材料的分类及其应用，着重对各类有机低分子非线性光学材料进行分类讨论。关键词:有机非线性光学材料，有机低分子非线性光学材料一、非线性光学材料概述 [1] 1961年,Franken首次发现了若干材料的激光倍频现象。因非线性光学的发展与激光技术的发展密切相关,故这种现象的发现,不仅标志着非线性光学的诞生,而且强有力地推动了非线性光学材料科学的发展。科技工作者之所以对非线性光学感兴趣,主要有以下原因:可利用非线性光学效应做成某种器件,例如变频器,从而有可能提供从远红外到亚毫米波、从真空紫外到X射线的各种波段的相干光源;由于某些非线性光学效应,例如双光子吸收、受激喇曼散射等,会引起入射到介质中的光束的衰减,从而限制了通过介质的光通量,又如自聚焦现象会引起入射光束的畸变,强度太强时,甚至会导致介质的不可逆损伤,这就从实际向人们提出了急需解决的问题;由于非线性光学效应是通过强激光与组成非线性介质的原子或分子的相互作用体现的,因而非线性光学现象是获得这些原子或分子的微观性质信息的一种手段。正因非线性光学的诸多特性,使人们对具此类特性的材料研究日益深化,并正不断地被应用到光通信技术等各个方面。尤其多年来对有机材料的非线性光学特性研究,为其应用提供了理论依据,如酞菁类化合物,它的非线性系数高、响应快、光损伤阈值高和化学稳定等特性, [2,3]因而有着无法估量的非线性光学应用前景。

在线性光学范围内,描述电磁辐射在介质中传播规律的麦克斯韦方程组是一组线性的微分方程,它们只包括场强矢量的一次项。当单一频率的辐射入射到非吸收介质时,除喇曼散射外,其频率是不会发生变化的。如果不同频率的光同时入射到介质时,它们彼此之间不产生耦合,不可能产生新的频率,若以数学形式表示时,具有线性的关系。但在激光出现后,介质在强激光作用下产生的电极化强度P与入射辐射强度E的关系,不是简单的线性关系。从而引起非线性光学效应。它反映了介质与强激光束相互作用的基本规律。非线性光学是由于构成物质 [4]的原子核及其周围电子在电磁波场的作用下产生非谐振性运动的结果。一般而言,要寻找具有好的非线性光学性质的材料,其关键性能指标是:(1)非线性系数高;(2)响应时间短;(3)光损 [4]伤阈值高。产生非线性光学效应的首要条件取决于材料。一般来说,无论从材料的组成,还是结构,就种类而言,大致分两类:无机非线性光学材料和有机非线性光学材料。非线性光学材料人们已经找到很多，按其非线性效应来分可以分为二阶非线性光学材料和三阶非线性光学材料二阶非线性光学材料主要有: (1)无机倍频材料如三硼酸锂(LBO)、铌酸锂(LiNbO)、碘酸短(LiIO，KDP)、33磷酸氧钛钾(KTiOPO，KTP)、β-偏硼酸钡(β-BaBO，BBO)、α石英等 424 ( 2)半导体材料有硒化镉( CdSe)、硒化镓(GaSe)、硫镓银、硒镓银、碲(Te)、硒(Se)等 (3)有机倍频材料有尿素、L-磷酸精胺酸(LAP)、醌类、偏硝基苯胺、2-甲苯-4-硝基苯胺、羟四甲基四氢吡咯基硝基吡啶、氨基硝基二苯硫醚、硝苯基羟基四氢吡咯以及它们的衍生物 (4)金属有机化合物，如二氯硫脲合镉、二茂铁类化合物、苯基或吡啶基过渡金属羰

二维非线性光学材料

二维非线性光学材料项目简介光学信息处理是解决当前大数据处理系统在带宽、能耗、速度等瓶颈问题上的主要技术手段。纳米尺度非线性光学材料是全光集成系统中高性能单元器件（光开关、光调制器、探测器等）的核心。具有优异非线性光学特性，特别是非线性吸收和折射率的二维纳米半导体材料在物性、集成度、兼容性上独具优势，是构筑未来高性能全光信息系统的关键之一。作为国际上最早开展二维材料非线性光学工作的研究者之一，在中组部、国家基金委、中科院、上海市科委等项目的资助下，我们团队在国际上率先揭示了石墨烯、过渡金属硫化物和黑磷等重要二维材料的超快非线性光学特性，验证了高性能二维半导体在强激光防护光限幅器和超短脉冲激光锁模器上的重要应用，取得如下主要成果：成果一：二维半导体非线性光学效应及物理在国际上首先揭示了过渡金属硫化物、石墨烯、黑磷等重要二维半导体的非线性光学特性；证实了钼硫族二维材料的宽带非线性吸收和折射率，以及禁带调控色散效应；实现了二维半导体的非线性特性调控工程；从单层MoS2中观测到暗态激子共振巨双光子吸收效应；观测到二维半导体中的自相位调制效应、非线性折射率色散、二维材料光学特征矩阵、光致透明效应、快/慢饱和吸收效应、全光开关调控和光限幅特性、双光子吸收饱和效应等；这些原创成果为理解二维半导体非线性光学物理机理，开发高性能非线性光学器件及全光计算等集成系统应用奠定了良好的实验和理论基础。成果二：二维半导体非线性光学材料及应用基于石墨烯、MoS2及其改性衍生材料等优异的非线性特性，实现了超短激光脉冲锁模器和强激光防护光限幅器等重要应用；合成出酞菁修饰的石墨烯宽带强激光防护光限幅材料；合成出MoS2、MoSe2、WS2、WSe2等过渡金属硫化物宽波段强激光防护光限幅材料；在批量制备大尺寸、高性能二维半导体非线性光学材料和二维半导体强激光防护光限幅复合材料等方面进行了大量原创性基础研究工作。特别是以非线性激光防护物理研究，结合高性能激光防护材料研制为基础，正在为中电53所、中航工业613所等单位的激光应用系统研制强激光防护装置，用于对某型号机载光电系统和激光雷达探测器进行防护，在宽波段、多时间尺度上对抗外部强激光的干扰和致盲，具有防护阈值低、消光比高、稳定性强等特点。该装置可以填补某型机载光电系统无激光防护装置的空白，可以对多种型号的激光雷达进行有效的激光损伤防护，具有很好的市场价值，如无人驾驶汽车激光雷达防护等。 2011-2016年期间，我们团队在ACS Nano、Laser & Photonics Reviews、Nanoscale、Carbon、Photonics Research、Optics Letters、Progress in Materials Science等国际SCI期刊发表二维材料非线性光学论文27篇，他引1269次。其中8篇代表性论文被他引988次，平均每篇被他人引用123次，最高单篇他引426次。主要完成人中1人入选国家青年拔尖人才和基金委优秀青年科学基金、2人入选中科院“百人计划”、3人入选上海市优秀学术带头人。

光纤光锥光学特性研究与测试

第１章绪论１．１光纤光锥光学特性研究的背景及意义１．１．１光纤光锥简介光纤光锥是由成千上万根光学纤维经规则排列、加热、加压融合、扭转、拉锥等一系列工艺制成，其中每一根纤维由高折射率的芯玻璃和低折射率的包皮玻璃构成，入射光依据全反射原理从每根纤维的一端传向另一端。光纤传像元件包括光纤面板、光纤倒像器、光纤光锥。光纤光锥是光纤面板的一种特殊形式。图１．ｉ光纤面板图１．２光纤光锥光纤面板如图１．１所示，由数千万根直径为５～６ｌＪｍ的光导纤维规则排列后，加温、加压熔合而成。它在光学上具有零厚度，有很高的集光能力和分辨率，可无失真地传递高清晰度图像，是性能优越的光电成像和图像传输器件。主要用于微光像增强器的输入窗或输出窗和ＣＲＴ象管的显示屏，对改善器件的像质起着无法替代的作用““２Ｍ“¨”。光纤光锥如图１．２所示，是另一种形式的光纤面板，也是由直径为５～６ｐｍ的光导纤维规则排列，每根纤维均匀拉伸成锥型的图像传输器件。目前世界上最大的商用光纤光锥直径能达２００ｒａｍ删。光纤光锥具有将图像放大和缩小特定倍数的作用，可以获得短的物像距。理论上，光锥的大端和小端的直径之比可以达到４０：１，但由于制造过程中技术的限制，实际的光纤光锥的大端和小端直径比的范围为２：１到１０：１”１。

１．１．２光纤光锥应用目前光纤光锥的主要用途是将图像从像增强器耦合到ＣＣＤ（电荷耦合器件）上或作为图像放大缩小器件。１）光纤光锥与ＣＣＤ的耦合ＩＣＣＤ图像传感器已经广泛的应用于微光夜视、目标识别及探测、激光制导、机器人视觉以及高分辨率ｘ射线医学成像等领域。利用光学中继元件，将微光管光纤面板荧光屏输出的图像耦合到ＣＣＤ的光敏面上，如图１．３所示，实现微光摄像和高分辨率成像。在设计或采用光学中继元件时，必须考虑尽可能的收集从增强器输出的光子能量，并且能够以最小的像差投影到ＣＣＤ的光敏面上。像增强器和ＣＣＤ耦合的最常用的方法就是利用成像物镜或者是采用光锥作为中继元件吲。图１．４是一个光学中继器与ＣＣＤ耦合的示意图，荧光屏发出的光分布于１８０。半个空间，可以看作是一个朗伯源，利用物镜作为中继元件只能传输其小部分的光子能量。如图１．４（ａ），透镜与ＣＣＤ耦合的效率仅为５％，而高质量光锥与ＣＣＤ耦合时的耦合效率能达到７０％Ｃ９１。图１．３光纤光锥与ＣＣＤ耦台实物图

非线性光学材料

非线性光学材料摘要：非线性光学材料是一类在光电转换、光开关、光信息处理等领域具有广泛应用前景的光电功能材料。在目前信息技术高速发展的时代，光电子工业发展迅猛，对光电功能材料的需求也日趋增长。在光电子工业中如光开关、光通讯、光信息处理、光计算机、激光技术等都需要以非线性光学材料为基础材料，因此，近几十年来非线性光学材料引起了人们的广泛关注，对它的研究也以日新月异的速度发展着。关键词：非线性光学材料；光电功能材料 1.简介在目前信息技术高速发展的时代，光电子工业发展迅猛，对光电功能材料的需求也日趋增长。在光电子工业中如光开关、光通讯、光信息处理、光计算机、激光技术等都需要以非线性光学材料为基础材料，因此，近几十年来非线性光学材料引起了人们的广泛关注，对它的研究也以日新月异的速度发展着。非线性光学材料是指一类受外部光场、电场和应变场的作用，频率、相位、振幅等发生变化，从而引起折射率、光吸收、光散射等变化的材料。在用激光做光源时，激光与介质间相互作用产生的这种非线性光学现象，会导致光的倍频、合频、差频、参量振荡、参量放大，引起谐波。利用非线性光学材料的变频和光折变功能，尤其是倍频和三倍频能力，可将其广泛应用于有线电视和光纤通信用的信号转换器和光学开关、光调制器、倍频器、限幅器、放大器、整流透镜和换能器等领域。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=αE+βE2+γE3+……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。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。 2.非线性光学材料分类自从20世纪60年代诞生起，非线性光学材料的研究取得了很大的进展，有很多已经进实用化阶段[1-3]。根据组成可将非线性光学材料大致分为无机非线性光学材料，有机非线性

黑磷等二维材料的非线性光学特性研究

黑磷等二维材料的非线性光学特性研究非线性光学是光子学的研究基础,广泛用于光信息技术、激光技术、材料分析和纳米光子技术中。非线性光学效应是非线性光学研究的热点。寻找具有大的非线性极化率、高损伤阈值和合适的响应时间的非线性光学材料一直是研究人员追寻的目标。二维纳米材料具有优异的非线性光学效应,广泛用于激光器、光调制器和光开光等光电器件中,引起了科研人员的广泛关注。石墨烯是最早发现的二维材料,具有工作带宽宽、非线性折射率大和响应时间快等优点,在激光器领域的应用已经逐渐成熟。但是,石墨烯材料本身是零带隙的电子结构,特别是损伤阈值低、调制深度可调范围小和存在热效应等缺点限制了其在高能量激光器中的应用。因此,科研人员进一步寻找具有宽波段饱和吸收特性、超快响应时间、低损耗阈值、大调制深度、高损伤阈值和低成本等优点的二维材料。除了石墨烯外,拓扑绝缘体、过渡金属硫化物和黑磷等二维材料相继被制备出来。这些二维材料具有不同的能带结构,展现了不同的物理、化学和电学等性质。本文针对拓扑绝缘体和黑磷等二维材料的制备和非线性光学特性进行了系统的研究,取得了以下成果:（1）采用自下而上的实验方法制备拓扑绝缘体:硒化铋,得到了尺寸均一的双层硒化铋纳米片,厚度为3-7 nm。实验结果表明,这种方法制备过程简单,重复率高,并且能控制硒化铋的尺寸。这种制备超薄均匀的硒化铋纳米片的方法为其他二维材料的制备提供了新的思路,将有可能被推广到其他二维层状材料制备中。此外,采用飞秒Z扫描技术,在800 nm波段,实验测得硒化铋在800nm和1565 nm波段具有良好的饱和吸收特性。在800 nm,通过拟合得到硒化铋纳米片的饱和光强为32 GWcm^-2,调制深度为88%。在1565 nm,拟合得到的硒化铋纳米片的饱和光强为3.7 MWcm^-2,调制深度为36%。把双层硒化铋纳米片作为可饱和吸收体用于被动锁模激光器中,能产生中心波长为1571 nm,脉宽为579 fs,重复频率为12.54 MHz的锁模脉冲。（2）系统研究了尺寸对黑磷材料的非线性光学性质的影响。用液相剥离法结合分段离心技术制备三种不同尺寸的黑磷纳米片。通过透射电子显微镜、原子力显微镜、拉曼仪器以及粒度分析仪等仪器表征这三种黑磷纳米片的形态差异。