《材料性能學(xué)》課件-第十一章 材料的光學(xué)性能

第十一章材料的光學(xué)性能第十一章材料的光學(xué)性能光學(xué)材料是功能材料中的重要組成部分。尤其是激光技術(shù)出現(xiàn)以后，光通訊及光機(jī)電一體化技術(shù)得到飛速發(fā)展，對(duì)材料的光學(xué)性能提出了更高的要求，因此了解材料的光學(xué)性能顯得非常重要。簡(jiǎn)要介紹材料的折射、色散、反射、吸收、散射等線性光學(xué)性能的基本概念，線性光學(xué)性能在材料中的應(yīng)用及其影響因素，以及非線性光學(xué)性能產(chǎn)生的條件、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，以期研發(fā)新型的非線性光學(xué)材料?？梢?jiàn)光的基本性質(zhì)可見(jiàn)光的基本性質(zhì)光速與真空中的電導(dǎo)率ε0和導(dǎo)磁率μ0的關(guān)系：光速與波長(zhǎng)λ和頻率ν的關(guān)系：粒子的光子（Photon）的能量為：第一節(jié)線性光學(xué)性能在激光技術(shù)出現(xiàn)以前，描述普通光學(xué)現(xiàn)象的重要公式常表現(xiàn)出數(shù)學(xué)上的線性特點(diǎn)。在解釋介質(zhì)的折射、散射和雙折射等現(xiàn)象時(shí)，均假定介質(zhì)的電極化強(qiáng)度P與入射光波中的電場(chǎng)E成簡(jiǎn)單的線性關(guān)系：P=ε0χE

式中χ為介質(zhì)的極化率。線性光學(xué)性能：?jiǎn)我活l率的光入射到非吸收的透明介質(zhì)中時(shí)，其頻率不發(fā)生任何變化；不同頻率的光同時(shí)入射到介質(zhì)中時(shí)，各光波之間不發(fā)生相互耦合，也不產(chǎn)生新的頻率；當(dāng)兩束光相遇時(shí)，如果是相干光，則產(chǎn)生干涉，如果是非相干光，則只有光強(qiáng)疊加，即服從線性疊加原理。線性光學(xué)性能主要應(yīng)用于普通光學(xué)制品及光學(xué)器件。

1、折射率當(dāng)光線依次通過(guò)兩種不同的介質(zhì)時(shí)，光的行進(jìn)方向發(fā)生改變，稱(chēng)為“折射”。折射現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是由于介質(zhì)密度不同，光通過(guò)時(shí)，傳播速度不同。介質(zhì)對(duì)光的折射性質(zhì)用材料的折射率n表示。光從真空進(jìn)人介質(zhì)材料時(shí)，速度降低，兩者速度之比即為材料的絕對(duì)折射率即:

n=v真空/v材料=C/v材料第一節(jié)線性光學(xué)性能一、線性光學(xué)性能的基本參量第一節(jié)線性光學(xué)性能

入射角、折射角與材料的折射率、有下述關(guān)系：

折射率n的定義：入射束折射束ir

1、折射率介質(zhì)的折射率永遠(yuǎn)是大于1的常數(shù)，如空氣的n=1.0003。折射率n與介質(zhì)的極化現(xiàn)象有關(guān)，一般情況下離子的極化率愈大，n也愈大?？梢杂么箅x子得到高折射率，如PbS的n=3.912；用小離子得到低折射率，如SiCl4的n=1.412。晶體中沿密堆積方向上具有最高的折射率。一、線性光學(xué)性能的基本參量常用物體折射率表空氣1.0003玻璃，鋅冠1.517

液體二氧化碳1.2玻璃，冠1.52重火石玻璃1.65冰1.309氯化鈉1.53二碘甲烷1.74水(20度)1.333

紅寶石1.77丙酮1.36聚苯乙烯1.55蘭寶石1.77普通酒精1.36石英21.553特重火石玻璃1.8930%的糖溶液1.38翡翠1.57水晶2酒精1.329輕火石玻璃1.575鉆石2.417面粉1.434天青石1.61氧化鉻2.705溶化的石英1.46黃晶1.61氧化銅2.705

二硫化碳1.63非晶硒2.9280%的糖溶液1.49石英

1.644碘晶體3.342、色散及色散系數(shù)材料的折射率隨入射光波長(zhǎng)的增加而減小的性質(zhì)，稱(chēng)為折射率的色散。其數(shù)值大小為：色散＝dn/dλ數(shù)值可以由色散曲線（如下圖）來(lái)確定。一、線性光學(xué)性能的基本參量2、色散及色散系數(shù)自然光透過(guò)單片透鏡，色散使像的周?chē)h(huán)繞了一圈色帶，成像不清晰，稱(chēng)為色差?？朔姆椒ㄊ怯貌煌铺?hào)的光學(xué)玻璃，分別磨成凸透鏡和凹透鏡復(fù)合鏡頭，以消除色差，這被稱(chēng)之為消色差鏡頭。一、線性光學(xué)性能的基本參量3、雙折射及非常光折射率光學(xué)材料可分為光學(xué)均質(zhì)介質(zhì)和非均質(zhì)介質(zhì)兩類(lèi)。對(duì)于非晶態(tài)和等軸系晶體物質(zhì)，光通過(guò)時(shí)光速不因傳播方向改變而變化，即介質(zhì)只有一個(gè)折射率，稱(chēng)為“均質(zhì)介質(zhì)”。除此以外，晶體材料都是“非均質(zhì)介質(zhì)”。一、線性光學(xué)性能的基本參量3、雙折射及非常光折射率雙折射：自然光進(jìn)入非均質(zhì)介質(zhì)時(shí)，一般都要分為振動(dòng)方向相互垂直、傳播速度不等的兩個(gè)波，分別構(gòu)成兩條折射光線的現(xiàn)象。

雙折射是非均質(zhì)晶體的特性，是材料各向異性的表現(xiàn)。一、線性光學(xué)性能的基本參量一、線性光學(xué)性能的基本參量4、反射及反射系數(shù)當(dāng)光線由介質(zhì)1入射到介質(zhì)2時(shí)，光在界面上分成了反射光和折射光。當(dāng)入射光的單位能量流為W時(shí):W’、W’’分別為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的反射光和折射光的能量流。W=W’+W’’5、全反射當(dāng)光線從光密介質(zhì)（玻璃）進(jìn)入光疏介質(zhì)（空氣）中時(shí)，折射角ｒ大于入射角i。當(dāng)i為某值時(shí)，ｒ可達(dá)到90°，相當(dāng)于光線平行于表面而傳播。對(duì)于任一更大的i值，光線全部向內(nèi)反射回光密介質(zhì)內(nèi)。全部向內(nèi)反射的臨界角為：

Sini臨界=1/n1

一、線性光學(xué)性能的基本參量

典型玻璃的n=1.50，臨界角約為42°。對(duì)于在玻璃纖維內(nèi)傳播的光線，其方向與纖維表面的法向所成夾角如果大于42°，則光線全部?jī)?nèi)反射，無(wú)折射能量損失。光纖通訊正是利用了此特性。6、吸收系數(shù)光線穿過(guò)介質(zhì)時(shí)，引起介質(zhì)的價(jià)電子躍遷，或使原子振動(dòng)而消耗能量。此外，介質(zhì)中的價(jià)電子還可能吸收光子能量而激發(fā)，當(dāng)尚未退激而發(fā)出光子時(shí)，電子的能量轉(zhuǎn)變成分子的動(dòng)能亦即熱能，從而造成光能的衰減，即材料對(duì)光的吸收。一、線性光學(xué)性能的基本參量材料對(duì)光的吸收率與波長(zhǎng)的關(guān)系

金屬對(duì)光能吸收很強(qiáng)烈，這是因?yàn)榻饘俚膬r(jià)電子處于未滿(mǎn)帶，吸收光子后即呈激發(fā)態(tài)，用不著躍遷到導(dǎo)帶即能發(fā)生碰撞而發(fā)熱。因此，在電磁波譜的可見(jiàn)光區(qū)，金屬和半導(dǎo)體的吸收系數(shù)都很大。材料對(duì)光的吸收率與波長(zhǎng)的關(guān)系

電介質(zhì)材料（如玻璃、陶瓷及高分子材料）大部分在這個(gè)波譜區(qū)內(nèi)都有良好的透過(guò)性，也就是說(shuō)吸收系數(shù)很小，這是因?yàn)殡娊橘|(zhì)材料的價(jià)電子所處的能帶是滿(mǎn)帶，它不能吸收光子而自由運(yùn)動(dòng)，而光子的能量又不足以使價(jià)電子躍遷到導(dǎo)帶，所以在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，吸收系數(shù)很小。6、吸收系數(shù)選擇性吸收：指材料對(duì)某一波段有強(qiáng)烈的吸收作用，而對(duì)其他波段則吸收較弱或不吸收的現(xiàn)象。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，一切介質(zhì)都是選擇性吸收介質(zhì)。均勻吸收：在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，對(duì)各種波長(zhǎng)的吸收程度相同的現(xiàn)象。在均勻吸收的情況下，隨著吸收程度的增加，顏色從灰變到黑。一、線性光學(xué)性能的基本參量7、散射

光波遇到不均勻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與主波方向不一致的次級(jí)波，與主波合成出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，使光波偏離原來(lái)的方向，從而引起散射，例如含有小粒子的透明介質(zhì)、光性能不同的晶界相、氣孔或其他夾雜物，都會(huì)引起一部分光束被散射，從而減弱光束強(qiáng)度。一、線性光學(xué)性能的基本參量7、散射

若散射質(zhì)點(diǎn)的體積分?jǐn)?shù)不變，當(dāng)d<λ時(shí)，則隨著d的增加，散射系數(shù)S也隨之增大；當(dāng)d>λ時(shí)，則隨著d的增加，S反而減小;當(dāng)d≈λ時(shí)，S達(dá)最大值。當(dāng)d>λ時(shí)，反射、折射引起的總體散射起主導(dǎo)作用?？傊?，散射質(zhì)點(diǎn)的折射率與基體的折射率相差越大，將產(chǎn)生越嚴(yán)重的散射。一、線性光學(xué)性能的基本參量

1、透光性材料可以使光透過(guò)的性能稱(chēng)為透光性。透光性是一個(gè)綜合指標(biāo)，即光能通過(guò)介質(zhì)材料后剩余光能所占的百分比。

反射損失、吸收損失、散射損失二、線性光學(xué)性能的應(yīng)用及其影響因素

1、透光性影響材料透光性的因素主要是材料的吸收系數(shù)、反射系數(shù)及散射系數(shù)。其中吸收系數(shù)與材料的性質(zhì)密切相關(guān)。如金屬材料因吸收系數(shù)太大而不透光。陶瓷、玻璃和大多數(shù)純凈的高分子介電材料，吸收系數(shù)在可見(jiàn)光范圍內(nèi)是比較低的，不是影響透光性的主要因素。

反射系數(shù)與相對(duì)折射率和表面光潔度有關(guān)。二、線性光學(xué)性能的應(yīng)用及其影響因素

1、透光性散射系數(shù)是影響材料透光性的主要因素，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)材料的宏觀及顯微缺陷材料中的夾雜物、摻雜、晶界等對(duì)光的折射性能與主晶相不同，因而在不均勻界面上形成相對(duì)折射率n21，此值越大則界面上的反射系數(shù)越大，散射因子也越大，因而散射系數(shù)變大。二、線性光學(xué)性能的應(yīng)用及其影響因素

1、透光性散射系數(shù)是影響材料透光性的主要因素，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(2)晶粒排列方向的影響如果材料不是各向同性體，則存在雙折射問(wèn)題，與晶軸成不同角度的方向上，折射率均不相同。在多晶材料中，晶粒的不同取向均產(chǎn)生反射及散射損失。二、線性光學(xué)性能的應(yīng)用及其影響因素

1、透光性散射系數(shù)是影響材料透光性的主要因素，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(3)氣孔引起的散射損失存在于晶粒之間以及晶界玻璃相中的氣孔，從光學(xué)上講構(gòu)成了第二相，其折射率與基體材料相差較大。由此引起的損失遠(yuǎn)較雜質(zhì)、不等向晶粒排列等因素引起的損失為大。但氣孔的影響程度與氣孔的直徑有關(guān)。假如是微小氣孔（小于波長(zhǎng)），散射損失不大。二、線性光學(xué)性能的應(yīng)用及其影響因素

2、界面反射與光澤材料對(duì)光的反射取決于材料的反射系數(shù)。但就反射效果而言，都與反射界面的光潔度有關(guān)。光潔度非常高的情況下，反射光線具有較高的方向性，一般稱(chēng)為鏡反射。反之，反射線沒(méi)有方向性的稱(chēng)為漫反射，如右圖所示：二、線性光學(xué)性能的應(yīng)用及其影響因素圖11-7鏡面反射與漫反射(a)釉或搪瓷(b)毛玻璃或瓷體

2、界面反射與光澤利用光的反射可以在光學(xué)材料中達(dá)到各種應(yīng)用目的，例如雕花玻璃器皿，含鉛量高，折射率高，因而反射率約為普遍鈉鈣硅酸鹽玻璃的兩倍，達(dá)到很好的裝飾效果。寶石的高折射率使之具有高反射性能。通訊用光導(dǎo)纖維，有賴(lài)于光束總的內(nèi)反射。二、線性光學(xué)性能的應(yīng)用及其影響因素

2、界面反射與光澤

光澤主要由折射率和表面光潔度決定。普通陶瓷為了獲得高的表面光澤，常采用鉛基釉，在足夠高的燒成溫度下，使釉鋪展成光滑表面。若減小表面光澤，可采用低折射率玻璃，或使釉中析晶。玻璃材料常用研磨、噴砂、表面化學(xué)腐蝕以及由懸浮液、溶液或者氣相沉積一層細(xì)粒材料產(chǎn)生粗糙無(wú)光表面。難獲得高光澤的釉和搪瓷是由于晶體形成時(shí)造成的表面粗糙、起伏或者氣泡爆裂造成的凹坑。二、線性光學(xué)性能的應(yīng)用及其影響因素

3、不透明和半透明性有許多材料本來(lái)是透明的電介質(zhì)，也可以被制成半透明或不透明的。其基本原理是設(shè)法使光線在材料內(nèi)部發(fā)生多次反射(包括漫反射)和折射，致使透射光線變得十分彌散，當(dāng)散射作用非常強(qiáng)烈，以致幾乎沒(méi)有光線透過(guò)時(shí)，材料看起來(lái)就不透明了。二、線性光學(xué)性能的應(yīng)用及其影響因素

3、不透明和半透明性在基質(zhì)玻璃中引入乳濁劑產(chǎn)生不透明，決定乳濁度的主要因素是第二相的顆粒尺寸、體積分?jǐn)?shù)及相對(duì)折射率等，常用乳濁劑為T(mén)iO2、SnO2及ZrSiO4等，為了得到最大的散射效果，乳濁劑顆粒不能與玻璃相起反應(yīng)，體積分?jǐn)?shù)要高，尺寸應(yīng)與入射光波長(zhǎng)相當(dāng)，相對(duì)折射率要大。二、線性光學(xué)性能的應(yīng)用及其影響因素二、線性光學(xué)性能的應(yīng)用及其影響因素

4、其他光學(xué)性能的應(yīng)用（1）熒光和磷光由輻射或其他形式的能量激發(fā)電子從價(jià)帶進(jìn)入導(dǎo)帶，當(dāng)其返回到價(jià)帶時(shí)發(fā)射出光子，產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。與熱輻射發(fā)光相區(qū)別，稱(chēng)這種發(fā)光為冷光。冷光發(fā)光一般有二種類(lèi)型：熒光和磷光。光（小于10ns）的為熒光，馳豫較長(zhǎng)時(shí)間者為磷光，發(fā)光機(jī)理如下：4、其他光學(xué)性能的應(yīng)用（2）激光材料激光材料由基質(zhì)和激活離子組成，基質(zhì)的作用主要是為激活離子(發(fā)光心)提供一個(gè)合適的晶格場(chǎng)，使之產(chǎn)生受激發(fā)射，應(yīng)用最廣的基質(zhì)是氧化物及氟化物晶體，Al2O3、Y3Al5O15、YAlO3（YAP）及BaF、SrF、YLiF

作為發(fā)光中心的小量摻雜離子稱(chēng)為激活離子，主要為過(guò)渡金屬離子、3價(jià)稀土離子等。二、線性光學(xué)性能的應(yīng)用及其影響因素4、其他光學(xué)性能的應(yīng)用（2）激光材料紅寶石CrAl2O3激光器廣泛應(yīng)用于激光加工、激光測(cè)距、激光醫(yī)療器械等方面，迄今仍是一種重要的激光晶體。這是一種在Al2O3基質(zhì)晶體中摻雜了少量Cr3+的激光晶體，Cr3+離子取代了Al3+離子，晶體顏色為紅色。二、線性光學(xué)性能的應(yīng)用及其影響因素二、線性光學(xué)性能的應(yīng)用及其影響因素紅寶石CrAl2O3激光器工作原理用氙閃光燈照射一加工好的紅寶石棒時(shí)，Cr3+離子上的d電子可以從4A2基態(tài)激發(fā)到4F2和4F1激發(fā)態(tài)。這些激發(fā)態(tài)壽命很短，通過(guò)無(wú)輻射躍遷迅即衰變，降到2E能級(jí)。2E激發(fā)態(tài)的壽命很長(zhǎng)，約為5×10-3秒，這表明有足夠的時(shí)間形成集中粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。然后由2E能級(jí)躍遷返回基態(tài)，多余的能量以光能的形式釋放出來(lái)，于是就產(chǎn)生了激光，其波長(zhǎng)為6394埃。紅寶石激光器示意圖

GaAs半導(dǎo)體激光器

科學(xué)數(shù)碼相機(jī)上的CCD

4、其他光學(xué)性能的應(yīng)用（3）電光與聲光材料外加電場(chǎng)的作用引起材料光折射率或光吸收變化的效應(yīng)，稱(chēng)為電光效應(yīng)。利用材料電光效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)光波強(qiáng)度、相位、頻率、偏振和傳播方向的控制，在光電子技術(shù)中，電光材料廣泛用作光調(diào)制器、光開(kāi)關(guān)、光雙穩(wěn)態(tài)、光空間調(diào)制器、光顯示器及光波導(dǎo)器件等。二、線性光學(xué)性能的應(yīng)用及其影響因素4、其他光學(xué)性能的應(yīng)用（3）電光與聲光材料除外加電場(chǎng)外，晶體的折射率還可以由應(yīng)變引起變化，聲波是一種彈性應(yīng)變波，當(dāng)其通過(guò)介質(zhì)時(shí)，將引起材料的彈性變形，從而引起材料折射率隨時(shí)間和空間的周期變化，此即所謂的聲光效應(yīng)。應(yīng)變的作用是改變晶格的內(nèi)部勢(shì)能，使得約束較弱的電子軌道的形狀和尺寸發(fā)生變化，因而引起極化率及折射率的變化。二、線性光學(xué)性能的應(yīng)用及其影響因素4、其他光學(xué)性能的應(yīng)用（3）電光與聲光材料聲光材料在超聲波場(chǎng)作用下呈現(xiàn)光學(xué)各向異性，光通過(guò)載有聲波的材料時(shí)，將產(chǎn)生光的衍射，其傳播方向、頻率和強(qiáng)度均發(fā)生改變。重要的電光及聲光材料有LiNbO3、LiTaO3、KH2PO4等。二、線性光學(xué)性能的應(yīng)用及其影響因素第二節(jié)非線性光學(xué)性能將激光束入射到石英晶體（а-SiO2），實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了兩束出射光，一束是原來(lái)入射的紅寶石激光，波長(zhǎng)為694.3nm，另一束是新產(chǎn)生的紫外光，其波長(zhǎng)為347.2nm，頻率恰好為紅寶石激光頻率的兩倍，也具有激光的所有性質(zhì)，這是國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)的激光倍頻現(xiàn)象，它不僅標(biāo)志著非線光學(xué)的誕生，而且強(qiáng)有力的推動(dòng)了非線性光學(xué)材料的發(fā)展。（1961）高度集束的激光，能量也非常集中。舉例說(shuō)，在日常生活中,我們認(rèn)為太陽(yáng)是非常亮的，但一臺(tái)巨脈沖紅寶石激光器發(fā)出的激光卻比太陽(yáng)還亮200億倍。當(dāng)然，激光比太陽(yáng)還亮，并不是因?yàn)樗目偰芰勘忍?yáng)還大，而是由于它的能量非常集中。例如，紅寶石激光器發(fā)出的激光射束，能穿透一張3厘米厚的鋼板，但總能量卻不足以煮熟一個(gè)雞蛋。激光作為武器，有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。首先，它可以用光速飛行，每秒30萬(wàn)公里，任何武器都沒(méi)有這樣高的速度。它一旦瞄準(zhǔn)，幾乎不要什么時(shí)間就立刻擊中目標(biāo)，用不著考慮提前量。另外，它可以在極小的面積上、在極短的時(shí)間里集中超過(guò)核武器100萬(wàn)倍的能量，還能很靈活地改變方向，沒(méi)有任何發(fā)射性污染。第二節(jié)非線性光學(xué)性能一、非線性光學(xué)性能的概念在激光作用下，介質(zhì)的電極化強(qiáng)度P與入射光場(chǎng)強(qiáng)E的關(guān)系為一般的冪級(jí)數(shù)關(guān)系：

Pi=∑χ(1)ijEij（ω1）+∑χ（2）ijkEj（ω1）Ek（ω2）

+∑χ（3）ijkl

Ej（ω1）Ek（ω2）El（ω3）+

…

式中χ（1）ij是線性極化系數(shù)（或稱(chēng)線性極化率），χ（2）ijk、χ（3）ijkl分別為二階，三階非線性極化系數(shù)。χ為張量，各項(xiàng)系數(shù)的數(shù)值逐項(xiàng)下降7-8個(gè)數(shù)量級(jí)。ω1、ω2、ω3….為不同光頻電場(chǎng)的角頻率。通常把以非線性極化觀點(diǎn)解釋的一大類(lèi)新效應(yīng)稱(chēng)為非線性光學(xué)效應(yīng)。一、非線性光學(xué)性能的概念

在強(qiáng)光光學(xué)范圍內(nèi)，光波在介質(zhì)中傳播時(shí)不再服從獨(dú)立傳播原理，兩束光波相遇時(shí)，也不再滿(mǎn)足線性疊加原理，而要發(fā)生強(qiáng)的相互作用，并由此使光波的頻率發(fā)生變化。二、產(chǎn)生非線性光學(xué)性能的條件（自學(xué)）

1.入射光為強(qiáng)光普通光源的光強(qiáng)約為1～10W·cm-2，光電場(chǎng)強(qiáng)度約為0.1～10V·cm-1，而原子內(nèi)電場(chǎng)約109V·cm-1。因此，普通光源發(fā)出的光入射到晶體上時(shí)僅能觀察到線性效應(yīng)。激光屬于強(qiáng)光范圍，光強(qiáng)度可達(dá)1010W·cm-2，光電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)107V·cm-1以上（如果對(duì)激光束進(jìn)一步聚焦，光頻電場(chǎng)強(qiáng)度還可以進(jìn)一步增大），所以，強(qiáng)激光中的光頻電場(chǎng)強(qiáng)度已接近原子內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度。極化強(qiáng)度與光電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系式中高次項(xiàng)的貢獻(xiàn)已不能忽略，正是這些高次項(xiàng)產(chǎn)生了各類(lèi)非線性光學(xué)效應(yīng)。2、晶體的對(duì)稱(chēng)性要求二階非線性極化系數(shù)χijk

（以下忽略上標(biāo)2）是描述二次諧波發(fā)生過(guò)程的三階張量，在一般情況下共有27個(gè)獨(dú)立分量，只能存在于20種沒(méi)有對(duì)稱(chēng)中心的壓電晶類(lèi)中，也只有這樣，其二階非線性極化系數(shù)的所有分量才有可能不全部為零。二、線性光學(xué)性能的應(yīng)用及其影響因素二、產(chǎn)生非線性光學(xué)性能的條件2、晶體的對(duì)稱(chēng)性要求在中近紅外和可見(jiàn)光波段內(nèi)，光的頻率遠(yuǎn)離了晶體離子共振頻率區(qū)，此時(shí)，由于離子質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子質(zhì)量，離子將跟隨不及光頻電場(chǎng)的周期振動(dòng)，離子位移對(duì)晶體電極化強(qiáng)度的貢獻(xiàn)幾乎為零。因此,χijk主要取決于電子運(yùn)動(dòng)。如果忽略色散的影響，可得出χijk是全對(duì)稱(chēng)的三階張量：χijk=χikj

=χjik

=χjki=χkij

=χkji

。二、產(chǎn)生非線性光學(xué)性能的條件2、晶體的對(duì)稱(chēng)性要求由于全對(duì)稱(chēng)性，χijk的18個(gè)獨(dú)立分量數(shù)目減少至10個(gè)，并使20種壓電晶類(lèi)中有兩類(lèi)：D4-422和D6–622的二階非線性極化系數(shù)的所有分量全部為零。這樣，在32種晶類(lèi)中只有18種晶類(lèi)才有可能具有非線性光學(xué)效應(yīng)。二、產(chǎn)生非線性光學(xué)性能的條件3、位相匹配基頻光射入非線性光學(xué)晶體，不同時(shí)刻在晶體中的不同部位所發(fā)射的二次諧波，在晶體內(nèi)傳播的過(guò)程中要發(fā)生相干現(xiàn)象，相干的結(jié)果決定著輸出光的強(qiáng)度。如果位相一致（位相差為零），則二次諧波得到不斷加強(qiáng)。如果位相差不一致，則二次諧波將相互抵消；位相差為180°時(shí)，不會(huì)有任何二次諧波的輸出。二、產(chǎn)生非線性光學(xué)性能的條件3、位相匹配晶體倍頻效應(yīng)的位相匹配條件為：n(2ω)=n(ω)

即倍頻光的折射率n(2ω)與基頻光的折射率n(ω)相等?？紤]上述晶體位相匹配的要求，屬于立方晶系的晶體，因不具有折射率的各向異性，這類(lèi)晶體不可能實(shí)現(xiàn)角度調(diào)諧位相匹配。這樣，上述可能具有非線性光學(xué)效應(yīng)的18種點(diǎn)群中，只剩下16種點(diǎn)群具有非零的二階非線性光學(xué)系數(shù)。三、非線性光學(xué)晶體的結(jié)構(gòu)與性能的相互關(guān)系（自學(xué)）自發(fā)現(xiàn)非線性光學(xué)效應(yīng)以后曾提出多種理論模型求解晶體的非線性光學(xué)系數(shù)，例如非諧振振子模型、雙能級(jí)模型、鍵電荷模型、鍵參數(shù)模型、電荷轉(zhuǎn)移理論、陰離子基團(tuán)理論及雙重基無(wú)結(jié)構(gòu)模型等。文中僅對(duì)電荷轉(zhuǎn)移理論及陰離子基團(tuán)理論進(jìn)行簡(jiǎn)述。四、非線性光學(xué)性能的應(yīng)用1、激光變頻晶體激光變頻是光參量作用過(guò)程，它是光波和光學(xué)介質(zhì)之間最終沒(méi)有能量和動(dòng)量交換的過(guò)程，激光倍頻、和頻、差頻、光參量振蕩和光參數(shù)放大等均屬于這一類(lèi)過(guò)程，其動(dòng)量和能量是守恒的，而能量交換只表現(xiàn)在參與非線性相互作用的各個(gè)光波之間，因而這就要求各個(gè)參與相互作用的光波應(yīng)滿(mǎn)足位相匹配條件，光學(xué)介質(zhì)對(duì)光波不產(chǎn)生共振吸收的作用。1、激光變頻晶體

(１)二次諧波發(fā)生（SHG）二次諧波又稱(chēng)為倍頻，當(dāng)激光通過(guò)非線性光學(xué)晶體時(shí)，所產(chǎn)生的二次非線性光學(xué)效應(yīng)，是將頻率為ω的入射光變換成頻率為2ω的出射光。例