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第四章 非线性光学
非线性光学是现代光学的另一个重要分支，它是研究强光的光学规律的一门学科，与新材料、新技术有密切的联系。
强光下的极化
大家知道，电场能引起电介质的极化，极化后的电介质分子都具有一定的电偶极矩
P i ，它们沿电场
E 有倾向性的排列，介质中单位体积的总分子电矩不为零。定义
P P V
v i =→∑lim
??0
称
P 为极化强度。 实验表明，在弱场情况下
P xE =ε0 (4.1) 在强场情况下，P 不仅与E 的1次项有关，而且与E 的2次，3次…等高次项有关。一般地
++''+=E E E x E E x E x P )
3()2()1(
(4.2)
或者写成分量形式 ∑∑∑+++=
j
k
j l
k j l k j ijkl k j ijk j ijk
i E E E x E E x E x
P ,,, (4.3)
（4.3）式在特殊情况下有较简单的形式 +++=3)3(2)
2()
1(E x E x E x P
(4.4)
设E E t =0sin ω，代入（4.4）式，则有
P x E t x E t x E t x E t x E t x E t t x E x E x E t x E t x E t =+++=+-+
-+=++--+()()()()()()()()()()()sin sin sin sin (cos )(sin sin )()sin cos sin 102022303310202
303
2021030320230312
121433123
41221
43ωωωωωωωωωω =++++P P P P 0123 (4.5)
其中 P x E 0202
12
=() 称为直流项；
P x E x E t 11030334=+?? ?
??()()sin ω 称为基波项；
P x E t 22021
22=-()cos ω 称为二次谐波项；
P x E t 3303
14
3=-()sin ω 称为三次谐波项；
…
（4.5）式中，除P 1中的x E t ()sin 10ω外，其余都是由P 与E 的非线性关系引起的非线性项。 光在介质中的速度u 是与介电常数ε有关的，而ε与P 有关。因此，介质的折射率n 也将与P 或者与光强有关，展开到二阶项有
图4-1 介质的极化
n n n E =+
0221
2
这样一来，在强光下光的反射、折射、会聚、发散、吸收等都与光强度有关，称这种强光的光学效应为非线性光学现象。极化强度与光场强的非线性关系是产生诸多非线性光学现象的物理原因。
谐波效应与位相匹配
一、谐波效应
大多数晶体（指无反演对称的晶体）的非线性极化率x (2)决定于电场传播方向、偏振状态和晶体光轴取向。为简便计，从（4.4）式中单独抽出一项来考虑
P x E E i ijk j k j k
()
,2∑
(4.6)
1961年，Franken （佛兰肯）用λμ006943=.m 的红宝激光入射石英晶体，经透镜会聚后，发现在红色聚焦点周围有蓝紫色光泽出现，其波长λμλ==
034721
20
.m 。这一现象说明一部分红光经过石英晶体后，频率增加了一倍。强光下产生倍频光的物质，除石英晶体外，
还有磷酸二氢氨，铌酸锂，铌酸钡钠。金属蒸汽和某些液体
也具有此种性能，3次谐波效应就是在使用钇铝石榴石
（Y AG ）激光(.)λμ0106=m 入射铷蒸汽或氙气后观察到的。聚焦点周围的蓝紫色光的波长λμλ==035421
30.m 。此后发现了4次、5次…直至15次谐波效应。 谐波效应产生的多倍频光，可以解释为由极化后的介质发出。为此，还必须介绍位相匹配的概念。
二、位相匹配
位相匹配是产生非线性效应的关键条件。我们以倍频效应为例。设入射的基频光动量为)(1ωk
，而由介质极化场发出的辐射倍频光动量为)2(2ωk
。介质首先吸收两个光子，然后发射一个倍频
光子（见图
(4.7)
k 0
n n 122()()ωω= (4.8)
式（4.8）表明基频光的相速等于谐频光的相速。设晶体平行块的厚度为l ，当垂直入射的基频波为E t k x 01cos()ω-时，产生极化 P t k x ()cos()2221ωω∝-
晶体内dx 段的极化场发出的辐射倍频光传播到出射面时，为
dx x k x k t dE )]1(22cos[)2(21---∝ωω (4.9)
其中，位相221ωt k x -是dx 段内极化场p ()2ω本身就具有的，而--k x 21()是倍频光从x 处传播到l 处的位相变化。可见，处在晶体不同位置的极化场源所发出的倍频光具有不同的初位相，它们完全由基频光决定。而倍频光则统一由n 22()ω决定其传播速率，最后到达出射面的总倍频光为
图4-2 倍频光
吸收双光子发射倍频光子 图4-3
图4-4 基频与倍频光 0 dx 1
E dE t k kx dx l
l ()()cos[()]222200ωωω==--???
(4.10)
其中，?k k k =-212。对（4.10）式进行积分，得
E k l k
t k k l ()sin cos[]222222
12ωω=
-+?? 于是 I E l l k l k ()()sin 222222
ωω∝=?????
???
（4.11） 当?k =0，即满足位相匹配条件时 2max )2(l I I ∝=ω
若?k ≠0，则各段辐射的倍频光将产生相互干涉，也就观察不到倍频光了。
非线性效应
一、光参量放大
光参量放大是一种和频与差频的非线性效应。将两种不同频率的光入射到晶体中，则有 E E t E t =+011022sin sin ωω
(4.12) 其中，ω1为弱信号光的频率，ω为强高频光的频率。由于有非线性效应，故
这里，和频为1212ω2混频，
可得到放大了的信号光。此外，由于参量放大可以达到升频转换，故这一技术能用于探测红外及远红外辐射，即将不易探测的红外及远红外光升频，使之变成可见光或近红外光，再进行测量。
二、自聚焦与自散焦
一束平行光经过透镜会产生会聚或者发散，但是若通过均匀透明的平而板玻璃却仍然是平行光。一束强光却不然，
当它通过均匀的平而析时，也会会聚成直径为几个微米的细线或一串串细小的焦点，这一现象称为光的自聚焦。此外，实验还表明，强光通过GeS （硫化镉）会出现自散焦，即原来入射的平行光束在GeS 中会自动发散开来。
自聚焦与自散焦都是一种非线性效应。前面，引入了折射率n 与光强E 2的关系式
n=n 0+n 2E 2/2 (n 2>0) 当光强E 2增大时，n 亦增大；反之，则n 减小。通常，激光束的光强呈高斯分布（见图7-6），中心轴线处光强大，四周渐弱。于是有n n 中心边>，这样，自然会使光线由四周向中心轴线会
聚。 光的自聚焦又称为光自陷，它和通常的透镜聚焦不同。自聚焦的光聚焦后不再发散。目前多认为电致伸缩是引起自聚焦的主要原因。发生自聚焦现象时，中心轴线上功率密度剧增，达到102MW 以上，因而介质击穿甚至炸裂。这是发展高功率激光的重要
O
图7-7 光折射引起自聚焦 图7-5 自聚焦 图7-6光强呈高斯分布
障碍，也是激光武器和核技术的重要研究课题。 三、自感应透明
强光通过光学介质时，可使介质由不透明或部分透明变成完全透明，这种现象称为自感应透明。透明与介质对光的吸收有关。一般情况下，介质的原子多处在低能级上，因此，介质总是要吸收外来的光子，成为半透明的或不透明的。但是，强光能在一瞬间处于高能级的原子数与处于低能级的原子数相当，此刻介质仿佛是一个吃饱了的“大汉”，它不再吸
收光能量，因而变成透明介质。 完全相反的情况也可能在强光通过时出现。例如，当弱光通过CS 2时，只存在单光子吸收过程hv=E 2-E 1 由于吸收较少，介质基本上是透明的。但当强光通过时，
由于能产生双光子吸收，故一次吸收两个甚至多个光子 2hv=E 2-E 1 强光几乎被吸收了2/3，CS 2则由透明变得几乎完全不透
明了。
此外，强光与物质作用时，还与时间的长短有关。用超短过程我们能子解光合的能量变换、化学反应的中间过程及激光核聚变的动力学过程等等。
四、受激散射效应
强激光通过介质时，各种散射现象均可能产生受激效应。当入射光强增加到一定值时，
散射光因受激效应的增益大大胜过其损耗，由此得到较强的散射光。同时，这一过程往往还伴随着介质分子能级的跃迁，例如拉曼散射、布里渊散射等。 这里将着重介绍受激拉曼散射（简记为SRS ）。一般的拉曼散射为自发散射（简记为RS ），原理如图4-10所示。入射光为hv L ，散射光为hv s ；介质分子散射前为a >态，散射后为b >态。
受激拉曼散射则不同，由于强光产生的散射光亦强，故在这些散射光的诱导下，介质分子将以更大的几率发射hv s 光子，因而SRS 的转换率比自发RS 提高了100倍以上。利用这一原理，可以从一种频率的激光器产生出另一频率的激光，完成这一
功能的装置被称为拉曼激光器。 布里渊散射指的是入射时伴随有声波产生，或者说一个光子入射，产生一个出射光子和一个声
子，其中声波的波长在微波超声范围内。利用受激布里渊散射效应，能从激光器产生超声波，这一课题，目前尚处在研究阶段。
图4-8 吸收与透明的关系
图4-10 自发拉曼散射
4-11 SRS
强光 图 4-9 强光不能通过CS2
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
(整理)非线性光学复习材料.
{ 非线性光学复习资料 1. 高斯单位制下的麦克斯韦方程组，并由此推导波动方程： 2 222224)(1)(t c t c NL ??-=???+????P E E πε 高斯单位制下麦克斯韦方程组 t c c t c ??+= ??=????-=??=??E j B B B E E 14014ππρ 2. 线性光学与非线性光学的主要区别。 A 为线性光学，B 为非线性光学 E （1）A ：单束光在介质中传播，通过干涉、衍射、折射可以改变光的空间能量分布和传播方向，但与介质不发生能量交换，不改变光的频率。 & B ：一定频率的入射光可以通过与介质的相互作用而转换成其他频率的光(倍频等)，还可以产生一系列在光谱上周期分布的不同频率和光强的光(受激拉曼散射等)。 （2）A ：多束光在介质中交叉传播，不发生能量相互交换，不改变各自的频率。B ：多束光在介质中交叉传播，可能发生能量相互转移，改变各自频率或产生新的频率。 （3）A ：光与介质相互作用，不改变介质的物理参量，这些物理参量只是光频的函数，与光场强度变化无关； B ：光与介质相互作用，介质的物理参量如极化率、吸收系数、折射率等是光场强度的函数(非线性吸收和色散、光克尔效应、自聚焦等)。 （4）A ：光束通过光学系统，入射光强与透射光强之间一般呈线性关系；B ：光束通过光学系统，入射光强与透射光强之间呈非线性关系。 （5）多束光在介质中交叉传播，各束光的相位信息彼此不能相互传递。 B ：多束光在介质中交叉传播，光束之间可以相互传递相位信息，而且两束光的相位可以互相共轭(光学相位共轭)。 3. （ 4. 写出电场强度的付氏振幅的表达形式，并对电强度进行付氏分解。 对于角频率为1ω、波矢为1k 、初相位为1φ的单色平面波：
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。
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
非线性光学晶体材料
非线性光学晶体材料 一、什么是非线性光学晶体 光通过晶体进行传播时，会引起晶体的电极化。当光强不太大时，晶体的电极化强度与光频电场之间呈线性关系，其非线性关系可以被忽略；但是，当光强很大时，如激光通过晶体进行传播时，电极化强度与光频电场之间的非线性关系变得十分显著而不能忽略，这种与光强有关的光学效应称为非线性光学效应，具有这种效应的晶体就称为非线性光学晶体。 二、非线性光学晶体材料的产生 1961年，美国科学家Franken将一束红宝石产生的激光束入射到石英晶体上，发现射出的激光束中除了红宝石的693.4nm的光束外，在紫外区还出现了一条二倍频率的347.2nm的光谱线，这是首次发现晶体的非线性光学效应。科学家们立即认识到非线性光学材料可以作为激光变频材料。在近50年的发展中，非线性光学晶体材料已成为最重要的信息材料之一，广泛应用于激光通信、光学雷达、医用器件、材料加工、x射线光刻技术等，在人们的生活中起到了越来越重要的作用。 图1 激光的倍频辐射现象 三、非线性光学晶体材料的应用和发展 非线性光学晶体与激光紧密相连，是实现激光的频率转换、调制、偏转和Q 开关等技术的关键材料。当前，直接利用激光晶体获得的激光波段有限，从紫外到红外谱区，尚有激光空白波段。而利用非线性光学晶体，可将激光晶体直接输
出的激光转换成新波段的激光，从而开辟新的激光光源，拓展激光晶体的应用范围。非线性光学晶体材料是光电子技术特别是激光技术的重要物质基础，可以用于激光频率转换、调制激光的强度和相位、实现激光信号的全息存储等，在激光通讯、激光信息存储与处理、激光材料加工以及军用激光技术等领域都有重要应用。 图2 非线性光学材料的广泛应用 近几十年来，人们在研究与探索非线性光学晶体材料方面做了大量工作，取得了丰硕的研究成果，涌现出了一批性能优良的非线性光学晶体。人们已将非线性光学晶体材料，由无机晶体拓展到有机晶体，由体块晶体发展到薄膜、纤维和超晶格材料。将非线性光学晶体的性质与其内部微观结构联系起来，有意识的通过分子设计、晶体工程等科学方法来探索与研制各种新型的非线性光学晶体材料，向科学更深层次的方向发展，从而促成了非线性光学领域内不断创新。
非线性光学材料研究
非线性光学材料研究 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
非线性光学材料研究 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。本文通过对三种非线性光学材料—石墨烯、碳纳米管和量子点的性能、制备以及应用展开综合性描述。阐述当今时代非线性光学材料的发展前景和探索其未来更广阔的的应用领域。 关键词： 非线性光学材料；石墨烯；碳纳米管；量子点；综述 Study on nonlinear optical materials Abstract: Nonlinear optical material is a kind of optoelectronic functional material which has wide application prospect in the fields of photoelectric conversion, optical switch, optical information processing and so on. In this paper, the properties, preparation and application of three kinds of nonlinear optical materials - graphene, carbon nanotubes and quantum dots, are described. The development of nonlinear optical materials in the present age and its future application fields are described. Key words: Nonlinear optical materials; graphene; carbon nanotubes; quantum dots; review 1 简介 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。 非线性光学是随着激光技术的出现而发展形成的一门学科分支，是近代科学前沿最为活跃的学科领域之一。数十年间,非线性光学在基本原理、新型材料的研究、新效应的发现与应用方面都得到了巨大的发展，成为光学学科中最活跃和最重要的分支学科之一。
非线性光学材料
非线性光学材料 物理科学与技术学院 物理学类 胡健 2010301020087 【摘要】：本文主要介绍非线性光学材料的发展历程，种类，特征，即非光学性，并展望了非线性光学材料的发展前景，和它在科研项目中所发挥的作用。 【关键字】：非线性光学材料，共振非线性，非共振非线性，非线性系数。 一、非线性光学的由来： 非线性光学材料起步的时间较短。在1961年Franken等用红宝石光束通过石英晶体时，观察到倍频效应。1962年Bloembergen等创立了光波混频理论，这就是非线性光学的的诞生。进而产生非线性光学材料。它指一类受到外部光场、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，能够进行光波频率转换和光信号处理，比如利用混频现象实现对弱光信号的放大、利用非线性响应实现光记录和运算功能等，因此在激光、通讯、电子仪器及医药器材等领域有重要的应用价值。 二、非线性光学的种类 非线性光学材料就是那些光学性质依赖于入射光强度的材料，非线性光学性质也被称为强光作用下的光学性质，这是因为这些性质只有在
激光的强相干光作用下表现出来的，通过利用非线性光学晶体的倍频、和频、差频、光参量放大和多光子吸收等非线性过程可以得到频率和入射光频率不同的激光，从而达到光频率变换的目的，因此对非线性光学材料的确立就有了以下的依据①有较大的非线性极化率。这是基本的但不是唯一的要求。由于目前激光器的功率可达到很高的水平，即使非线性极化率不很大，也可通过增强入射激光功率的办法来加强所要获得的非线性光学效应；②有合适的透明程度及足够的光学均匀性，亦即在激光工作的频段内，材料对光的有害吸收及散射损耗都很小；③能以一定方式实现位相匹配（见光学位相复共轭）；④材料的损伤阈值较高，能承受较大的激光功率或能量；⑤有合适的响应时间，分别对脉宽不同的脉冲激光或连续激光作出足够响应。 对非线性光学材料中最为实用的进行简单介绍： （1）、半导体材料 在电子学中，半导体材料有着极为广泛的用途，通过引入少量的掺杂，就会极大地改变其光学性能，从而满足对半导体材料的不同性能的要求。半导体材料的三阶非线性光学效应表现为与强度相关的反射率和吸收系数。从微观结构来讲，这些效应广义地分类为共振非线性和非共振非线性。当光子能量接近于半导体的基础吸收限时，由光子激发产生载流子，从而产生共振非线性，当光子能量远低于基础吸收限时，产生非共振非线性。半导体材料非线性光学效应的反应速率与产生非线性的机理密切相关。反应最快的非线性光学过程是光电辐射与束缚电子之间的非共振作用，这些与光子作用的电子占据了外层电子壳
(整理)非线性光学复习材料.
非线性光学复习资料 1. 高斯单位制下的麦克斯韦方程组，并由此推导波动方程： 2 222224)(1)(t c t c NL ??-=???+????P E E πε 高斯单位制下麦克斯韦方程组 t c c t c ??+= ??=????-=??=??E j B B B E E 14014ππρ 2. 线性光学与非线性光学的主要区别。 A 为线性光学，B 为非线性光学 E （1）A ：单束光在介质中传播，通过干涉、衍射、折射可以改变光的空间能量分布和传播方向，但与介质不发生能量交换，不改变光的频率。 B ：一定频率的入射光可以通过与介质的相互作用而转换成其他频率的光(倍频等)，还可以产生一系列在光谱上周期分布的不同频率和光强的光(受激拉曼散射等)。 （2）A ：多束光在介质中交叉传播，不发生能量相互交换，不改变各自的频率。B ：多束光在介质中交叉传播，可能发生能量相互转移，改变各自频率或产生新的频率。 （3）A ：光与介质相互作用，不改变介质的物理参量，这些物理参量只是光频的函数，与光场强度变化无关； B ：光与介质相互作用，介质的物理参量如极化率、吸收系数、折射率等是光场强度的函数(非线性吸收和色散、光克尔效应、自聚焦等)。 （4）A ：光束通过光学系统，入射光强与透射光强之间一般呈线性关系；B ：光束通过光学系统，入射光强与透射光强之间呈非线性关系。
（5）多束光在介质中交叉传播，各束光的相位信息彼此不能相互传递。 B ：多束光在介质中交叉传播，光束之间可以相互传递相位信息，而且两束光的相位可以互相共轭(光学相位共轭)。 3. 写出电场强度的付氏振幅的表达形式，并对电强度进行付氏分解。 对于角频率为1ω、波矢为1k 、初相位为1φ的单色平面波： )cos()(),(11111φωω-?-=r k E r E t t )cos()(),(11111φωω-?-=r k E r E t t 引入付氏振幅： ] )(exp[)(2 1 ),(1111φωω+?=r k E E i r 将其所代表的单色平面波改写成： )exp(),()exp(),(),(11111t i t i t ωωωωr E r E r E *+-= 这样，（1-2-3）式可改写成对称形式： )exp(),()exp(),(),(11111t i t i t ---+-=ωωωωr E r E r E 其中 n n -=-ωω ， ),(),(r E r E n n -*=ωω， n 为整数。 这样由N 个频率分别为n ω、波矢为n k 、初相位为n φ的单色平面波组成的光波场),(t r E 就 可表示为： ) exp(),(),(t i t n N N n n ωω-= ∑-=r E r E 4. 非线性极化张量的宏观性质及相应得推导过程： （1）真实性条件：) ,,() 2(m n s ωωω-χ是复张量，它的复共轭张量满足： ),,(),,()2()2(m n s m n s ωωωωωω--=-* χχ 证明。因为),()2(r P s ω是频率为s ω的二次非线性极化矢量),(t r P (2) s 的付氏振 幅，所以有：
非线性光学材料研究
非线性光学材料研究 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。本文通过对三种非线性光学材料—石墨烯、碳纳米管和量子点的性能、制备以及应用展开综合性描述。阐述当今时代非线性光学材料的发展前景和探索其未来更广阔的的应用领域。 关键词： 非线性光学材料；石墨烯；碳纳米管；量子点；综述 Study on nonlinear optical materials Abstract: Nonlinear optical material is a kind of optoelectronic functional material which has wide application prospect in the fields of photoelectric conversion, optical switch, optical information processing and so on. In this paper, the properties, preparation and application of three kinds of nonlinear optical materials - graphene, carbon nanotubes and quantum dots, are described. The development of nonlinear optical materials in the present age and its future application fields are described. Key words: Nonlinear optical materials; graphene; carbon nanotubes; quantum dots; review 1 简介 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。? 非线性光学是随着激光技术的出现而发展形成的一门学科分支，是近代科学前沿最为活跃的学科领域之一。数十年间,非线性光学在基本原理、新型材料的研究、新效应的发现与应用方面都得到了巨大的发展，成为光学学科中最活跃和最重要的分支学科之一。?
非线性光学晶体
1、（1）查阅资料综述主要非线性光学晶体种类、性能特征、液相生长技术及 其制；（2）试以倍频/混频非线性光学效应原理分析光参量振荡器工作原理。 非线性光学晶体的种类： KDP晶体:中文名称磷酸二氢钾晶体 英文名称potassium dihydrogen phosphate crystal，KDP 化学式为KH2PO4的非线性光学晶体，属四方晶系。非线性系数d3630.63×10012m/V，对0.69430m激光倍频相位匹配角θmm50.451°。 磷酸二氢钾(KDP)晶体是一种最早受到人们重视的功能晶体，人工生长KDP 晶体已有半个多世纪的历史，是经久不衰的水溶性晶体之一。KDP晶体的透光波段为178nm～1.45um，是负光性单轴晶，其非线性光学系数d36（1.064um）=0.39pm/V，常常作为标准来比较其他晶体非线性效应的大小，可以实现Ⅰ类和Ⅱ类位相匹配，并且可以通过温度调谐来实现非临界位相匹配(包括四倍频和和频)。属于四方晶系，点群D4h，无色透明。该晶体具有多功能性质。上世纪50年代，KDP作为性能优良的压电晶体材料，主要被应用于制造声纳和民用压电换能器。60年代，随着激光技术出现，由于KDP晶体具有较大的非线性光学系数和较高的激光损伤阈值，而且晶体从近红外到紫外波段都有很高的透过率，可对1.064μm激光实现二倍频，同时KDP晶体又是一种性能优良的电光晶体材料。使得该晶体在高功率激光系统受控热核反应、核爆模拟等重大技术上更显现出它的应用前景，因此，对特大尺寸的KDP优质光学晶体的研究，在国内外一直受到研究者的极大关注。 性能特征：1. 晶体溶解度：从溶液中生长单晶体，很重要的一个参数是了解物质的溶解度。根据溶解度与温度的关系绘制得到物质的溶解度曲线，它是选择晶体生长方法和生长温度区间的重要依据。 2.晶体结晶习性：取少量纯固体磷酸二氢钾将其配制成未饱和溶液（以溶解度曲线为依据），自然蒸发数日后逐渐达到饱和，此时溶液形成少量晶核，在结晶驱动力作用下，逐渐形成外形完整的KDP小籽晶。 3. 单晶培养：根据物质的溶解度曲线，配置某一温度下一定量的饱和溶液（注意控制溶液pH≈ 4.5）至育晶器中，将育晶器放入恒温槽，用吊晶法准确测出溶液饱和点温度，然后升温至比饱和点温度高出5℃，让溶液恒温隔夜过热，除净结晶中心。选择Z轴方向无缺陷晶片作为生长籽晶，固定于籽晶架上，在稍高于饱和点温度下，放入籽晶，并逐渐降至饱和点，采用降温法按每天一定降温速率（0.4℃/day）从水溶液中培养单晶。 KTP晶体: 具有大的非线性系数，大的容许温度和容许角度，激光损伤阈值较高，化学性质稳定，不潮解，机械强度适中，倍频转化效率高达70%以上等特性，是中小功率固体绿光激光器的最好倍频材料。 性能特征：大的非线性光学系数（约为KDP晶体的15倍）宽的接收角度和小的走离角透过波段宽高光电转换效率和低的介电常数具有良好的物理、化学和机械性能高的热传导系数（为BBN晶体的2倍）低失配度相比于BBO 和 LBO 成本较低。现在最主要应用是二倍频和OPO应用（激光测距），尤其是OPO应用近几年发展非常迅速。 LiNbO 晶体： 3 铌酸锂晶体简称LN，自1965年Ballman等报道利用Czochralshi技术成功