非線性光學晶體

1、非線性光學材料非線性光學材料 郭泓良郭泓良 柴胤光柴胤光 李李 源源非線性光學晶體是重要的光電信息功能材料之一，是光電子技術特別是激光技術的重要物質(zhì)基礎，其發(fā)展程度與激光技術的發(fā)展密切相關。非線性光學晶體材料可以用來進行激光頻率轉(zhuǎn)換，擴展激光的波長；用來調(diào)制激光的強度、相位；實現(xiàn)激光信號的全息存儲、消除波前疇變的自泵浦相位共軛等等。所以，非線性光學晶體是高新技術和現(xiàn)代軍事技術中不可缺少的關鍵材料，各發(fā)達國家都將其放在優(yōu)先發(fā)展的位置，并作為一項重要戰(zhàn)略措施列入各自的高技術發(fā)展計劃中，給予高度重視和支持。從最初的石英倍頻晶體開始，不斷涌現(xiàn)出鈮酸鋰（LiNbO3LN）、磷酸二氫鉀(KH2PO4KDP

2、)、磷酸二氘鉀(KD2PO4DKDP)、碘酸鋰(LiIO3LI)、磷酸氧鈦鉀(KTiOPO4KTP)、偏硼酸鋇(-BaB2O4BBO)、三硼酸鋰(LiB3O5LBO)、鈮酸鉀（KNbO3KN）、硼酸銫(CSB3O5CBO)、硼酸銫鋰(LiCSB6O10CLBO)、氟硼酸鉀鈹（KBe2BO3F2KBBF）以及硫銀鎵（AgGaS2AGS）、砷鎘鍺（CdGeAsCGA）、磷鍺鋅（ZnGeP2ZGP）等非線性光學晶體，用LN制作的光波導器件及調(diào)制器件，已廣泛應用于光通訊；利用KTP晶體的商業(yè)內(nèi)腔倍頻YAG激光器，其綠光輸出可達幾百瓦；用CBO和頻的YAG三倍頻激光器，355nm輸出已達17.7瓦；用C

3、LBO四倍頻的YAG激光器，266nm紫外光輸出已達42瓦；用KBBF直接六倍頻已獲177.3nm的深紫外激光；使用KTP、BBO、LBO的光參量振蕩器，其調(diào)諧范圍覆蓋了可見光到4.5m波段，并實現(xiàn)單縱模運轉(zhuǎn)。我國在非線性晶體領域最主要的成就發(fā)明了摻鎂LiNbO3晶體，通過摻雜使得LiNbO3的抗損傷閾值提高了兩個數(shù)量級以上，大大開拓了鈮酸鋰晶體的應用領域；在硼酸鹽系列中發(fā)現(xiàn)并研制出-BBO、LBO、CBO、KBBF等一系列性能優(yōu)異的紫外非線性光學晶體，開創(chuàng)了紫外激光倍頻的新紀元，使得人類不斷向固體紫外激光的極限推進；首次在國際上用溶劑法生長出可實際應用的KTP大單晶，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，使KTP晶

4、體在全世界得到普遍的應用，促進了激光技術的發(fā)展。主導了周期、準周期極化人工微結(jié)構非線性光學晶體材料的研究和實驗驗證，開拓了非線性光學晶體的新領域。市場需求近年來全世界的非線性光學晶體的銷售額每年超過4億美元，傳統(tǒng)的非線性晶體的需求量仍在逐年增大，今后幾年市場增長率在1530%左右。非線性光學元件在調(diào)制開關與遠程通訊、信息處理和娛樂等三個領域表現(xiàn)出了加速發(fā)展的趨勢。主要的商業(yè)化非線性光學晶體有鈮酸鋰（LiNbO3）、磷酸鈦氧鉀（KTP）、-偏硼酸鋇(BBO)、三硼酸鋰（LBO）、磷酸二氫鉀（KDP）、磷酸二氘鉀（DKDP）等，其中LiNbO3是市場最大的非線性光學晶體，光通訊和工業(yè)激光是它最重要

5、的兩個應用領域。光通訊行業(yè)的持續(xù)發(fā)展使得應用于光通信調(diào)幅器的LiNbO3晶體不僅占據(jù)了絕大部分的市場，而且市場份額每年都在增長。 除光通信外，工業(yè)激光、電光是非線性光學晶體應用的重要市場，近幾年一直保持著每年1520%的市場增長，其中BBO、KTP晶體是本領域近幾年增長最快的晶體品種，市場前景看好。醫(yī)用固體激光器領域是非線性光學晶體的另一個重要市場，主要應用的是KTP、KDP和BBO晶體，CLBO也將會得到大量應用。由于醫(yī)療行業(yè)激光器的快速發(fā)展，帶動KTP等非線性光學晶體的需求量也迅速增長。發(fā)展趨勢1）紫外向更短波段的發(fā)展發(fā)展全固態(tài)深紫外（200nm）相干光源，是目前國際光電子領域最前沿的研究

6、項目之一，這是因為紫外激光在許多高技術領域有著十分重要的應用，如新一代的集成電路光刻技術需要全固態(tài)的紫外相干光源；光電子能譜、光譜技術中，迫切需要可調(diào)諧的全固態(tài)深紫外相干光源，這對于推動深紫外光譜、能譜儀的發(fā)展將起到關鍵性的作用，并將開辟一個新的物質(zhì)科學研究領域；深紫外相干光源還將極大地推動激光精密機械加工業(yè)的發(fā)展。由于目前還沒有直接輸出深紫外波長的激光晶體問世，解決固態(tài)深紫外激光光源的關鍵問題集中在紫外波段的NLO變頻晶體的研制和應用開發(fā)，其帶動相關工業(yè)發(fā)展和技術進步的前景是十分誘人的。2）現(xiàn)有非線性光學晶體性能的改進以及新晶體的開發(fā) 3）非線性光學晶體的周期性極化準相位匹配技術（QPM）4）紅外波段的非線性光學晶體相對于可見和紫外波段的非線性晶體，紅外波段的非線性晶體發(fā)展比較