非线性光学晶体发展概况.doc

非线性光学晶体发展概况摘要: 本文介绍了非线性光学晶体的基本概念及分类，比较了无机、有机、非线性光学晶体的性能、研究进展以及面临的主要问题和发展趋势。关键词: 非线性光学晶体;无机;有机引 言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。一.非线性光学晶体的概述1我们将具有频率转换效应、电光效应和光折变效应的晶体统称为非线性光学晶体。2非线性光学晶体的分类（1）非线性光学晶体的分类方法不一，若按晶体光学分类可分为光学均质体、单光轴晶体、和双轴晶体。其中光学均质体主要为立方晶系晶体；单光轴晶体主要为三方晶系、正方晶系、六方晶系晶体，其特征为只有唯一的一个高次对称轴；双轴晶体主要为斜方晶系、单斜晶系、三斜晶系晶体，其特征为无高次对称轴，并有两个光轴。（2）若按晶体所产生的效应来分类则可分为激光频率转换晶体、电光晶体和光折变晶体三类。（3）若按化学角度来分则可分为无机非线性光学晶体和有机非线性光学晶体。无机和有机非线性光学晶体汇集成整个非线性光学晶体的研究领域。下面从化学角度介绍非线性光学晶体及其发展概况。二、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 (As1-2xP)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,特别是在紫外和深紫外光谱区域。近年来,由于硼酸盐化合物具有丰富的结构类型,而且许多硼酸盐晶体均具有宽的透过波段、高的损伤阈值、稳定的物理化学性能、适中的双折射率等特点,人们逐渐把寻找新型非线性光学晶体的注意力集中到硼酸盐类化合物上。BBO、LBO、CLBO、KBBF、SBBO、YCOB系列等晶体都是上世纪八九十年代发现的性能优异的硼酸盐类晶体,近年来人们继续对硼酸盐体系进行了大量的探索,又取得了较大的进展,相继发现了一大批性能优秀的非线性光学晶体,并对它们以及先前已发现的晶体进行了大量的生长及性能研究,如: NaLa9O3(BO3)8、LiKB4O7、Na3Sm2(BO3)3、TBO、BABF、LiRbB4O7、钡铅硼酸盐、KBBF、ZBP等优质非线性光学材料。它们在激光倍频、电光调制、参量振荡、实时全息存贮等诸多领域有着广阔的应用前景。因此,对硼酸盐体系的进一步深入研究具有重要的实际应用价值。与此同时,其它无机化合物以及半导体非线性光学晶体的研究也在迅速开展着,特别是在新晶体的探索、合成和性能表征上,如SBN 系列晶体、LiMX2、AgGa1-xIxSe2、K3V5O14等晶体,其中LiMX2、AgGa1-x Ix Se2、K3V5O14都是新型的红外非线性光学晶体。人们对无机非线性光学晶体在理论和应用方面已有了较深入的研究,目前已经将它们广泛用于激光倍频、电光调制、参量振荡、实时全息存贮、光计算、光数据处理等诸多领域,但多数无机非线性光学晶体或响应时间长,或制备工艺较困难,或可选择种类单一等,总是不尽人意。根据当前无机非线性光学晶体材料发展情况,对新型无机非线性光学晶体不仅要求具有大的倍频系数,而且还要求它的综合性能参数好,同时易于生成优质大尺寸体块晶体,这就需要进行大量系统而深入的研究工作。三有机非线性光学晶体1有机非线性光学晶体的特点有机材料在非线性光学领域起着非常重要的作用,在许多光电子设备上如光信息、光记忆、图像处理、谐波发生器等都需要好的有机非线性光学晶体。有机非线性光学晶体具有大尺寸、高机械强度、大的非线性光学系数、高的激光损伤阈值、化学稳定性以及蓝绿区域透明度好等特点。2有机晶体作为非线性光学材料比无机晶体具有如下优点:(1)有机分子种类和结构多样,分子可剪裁或修饰,且分子结构和晶体结构易于按器件需要进行特定的组合设计;(2)有机晶体的光学非线性可发生在非共振区,吸收、热耗小,具有超快的响应时间,可达飞秒量级;(3)有机晶体材料的抗光损伤阈值和非线性电极化率远大于无机晶体,高出12个数量级;(4)有机晶体的介电常数远小于无机晶体,其较低的RC时间常数可获得大的带宽(高于10GHz) ,在光频下工作也可明显增加了光子器件的带宽;(5)介电常数在低频和高频区域相差不大,可大大改进相位匹配。在器件应用方面,用于倍频器件的晶体材料要求具有较大的非线性电极化率、高的抗损伤阈值和在短波长区低的吸收系数。材料的非线性电极化率或非线性系数越大,则在较短的相位匹配长度的情况下获得的倍频效率越高。通常有机非线性光学晶体材料比无机材料有高得多的非线性电极化率,而且倍频效应测试对材料的形状和加工过程要求相对简单,因此与通常的无机晶体相比,有机晶体有望在大功率激光器的高效倍频方面得到重要应用,而且就电光调制而言,有机晶体材料更具吸引力。3. 缺陷有机晶体也存在难以克服的固有缺陷,如双折射率过大、接收角太小,加之导热系数小、熔点低、易潮解等,因此,要获得有使用价值的有机非线性光学晶体材料也是有一定难度的。4. 有机非线性光学晶体的研究现状(1)简单有机化合物自有机非线性光学晶体研究开始,简单有机化合物一直是其中的一个很重要的部分,有机聚合物非线性光学材料也只是近几年发展起来的。目前已对相当数量的有机化合物晶体进行探索研究,力求寻找性能更为优异,满足实际应用需求的新型晶体。(2)有机聚合物与加合物有机聚合物具有大的非线性光学系数、大的激光损伤阈值和超快的响应时间等优点,而且高聚合物分子具有多变性,易于实现分子的“剪裁”或“嫁接”,这些优点是无机晶体难以比拟的。由于其独特的性能优势,有机聚合物的出现引起了人们的极大兴趣。2004年HongweiHou等人报道的NMe42MOS3Cu3(2-I3 (M=M0,W)聚合物以及2005年XiangruMeng等人对NH2CH(CH3)CH2NH2 2M2(edbbp)2H2O M=Zn(), Cd()聚合物的研究都显示出了它们很强的自聚焦效应,具有很好的(三阶)非线性光学性能。然而,有机非线性光学材料无论是在晶体生长的理论与技术方面,还是在晶体的非线性光学性质及其器件应用方面,还都不够完善,如有机晶体材料品种的优选、有机晶体结构与性能的关系、不同的生长条件,以及工作环境条件对有机非线性晶体光学性能的影响、晶体机械强度及热稳定性的改善、晶体由材料向实用器件转化过程的加工工艺技术等许多问题,还需要人们投入更多的研究。结束语非线性光学材料是材料学科中的一个非常重要的领域,其基本原理及器件的设计思想已基本完成,当前的关键问题应是研究与寻求性能更加理想、实用的非线性光学晶体材料。这必将进一步推动光信息处理、光通信以及光计算等信息领域的发展,带来巨大的社会效益和经济效益。参考文献:1 李云阁,吴以成,张国春,等. 非线性光学晶体Na3La9O3(BO3)8的生长研究J. 人工晶体学报, 2005,34(3):387-389.2 张国春,吴以成,傅佩珍,等. 一种新的非线性光学材料2Na3Sm2(BO3)3 J. 人工晶体学报, 2001,30(