非線性光學(xué)晶體

1、非線性光學(xué)材料非線性光學(xué)材料 郭泓良郭泓良 柴胤光柴胤光 李李 源源非線性光學(xué)晶體是重要的光電信息功能材料之一，是光電子技術(shù)特別是激光技術(shù)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，其發(fā)展程度與激光技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。非線性光學(xué)晶體材料可以用來(lái)進(jìn)行激光頻率轉(zhuǎn)換，擴(kuò)展激光的波長(zhǎng)；用來(lái)調(diào)制激光的強(qiáng)度、相位；實(shí)現(xiàn)激光信號(hào)的全息存儲(chǔ)、消除波前疇變的自泵浦相位共軛等等。所以，非線性光學(xué)晶體是高新技術(shù)和現(xiàn)代軍事技術(shù)中不可缺少的關(guān)鍵材料，各發(fā)達(dá)國(guó)家都將其放在優(yōu)先發(fā)展的位置，并作為一項(xiàng)重要戰(zhàn)略措施列入各自的高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃中，給予高度重視和支持。從最初的石英倍頻晶體開(kāi)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(xué)晶體，用LN制作的光波導(dǎo)器件及調(diào)制器件，已廣泛應(yīng)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(dá)幾百瓦；用CBO和頻的YAG三倍頻激光器，355nm輸出已達(dá)17.7瓦；用C

3、LBO四倍頻的YAG激光器，266nm紫外光輸出已達(dá)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(jiàn)光到4.5m波段，并實(shí)現(xiàn)單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。我國(guó)在非線性晶體領(lǐng)域最主要的成就發(fā)明了摻鎂LiNbO3晶體，通過(guò)摻雜使得LiNbO3的抗損傷閾值提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，大大開(kāi)拓了鈮酸鋰晶體的應(yīng)用領(lǐng)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(xué)晶體，開(kāi)創(chuàng)了紫外激光倍頻的新紀(jì)元，使得人類(lèi)不斷向固體紫外激光的極限推進(jìn)；首次在國(guó)際上用溶劑法生長(zhǎng)出可實(shí)際應(yīng)用的KTP大單晶，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，使KTP晶

4、體在全世界得到普遍的應(yīng)用，促進(jìn)了激光技術(shù)的發(fā)展。主導(dǎo)了周期、準(zhǔn)周期極化人工微結(jié)構(gòu)非線性光學(xué)晶體材料的研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，開(kāi)拓了非線性光學(xué)晶體的新領(lǐng)域。市場(chǎng)需求近年來(lái)全世界的非線性光學(xué)晶體的銷(xiāo)售額每年超過(guò)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(chǎng)增長(zhǎng)率在1530%左右。非線性光學(xué)元件在調(diào)制開(kāi)關(guān)與遠(yuǎn)程通訊、信息處理和娛樂(lè)等三個(gè)領(lǐng)域表現(xiàn)出了加速發(fā)展的趨勢(shì)。主要的商業(yè)化非線性光學(xué)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(chǎng)最大的非線性光學(xué)晶體，光通訊和工業(yè)激光是它最重要

5、的兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。光通訊行業(yè)的持續(xù)發(fā)展使得應(yīng)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(chǎng)，而且市場(chǎng)份額每年都在增長(zhǎng)。 除光通信外，工業(yè)激光、電光是非線性光學(xué)晶體應(yīng)用的重要市場(chǎng)，近幾年一直保持著每年1520%的市場(chǎng)增長(zhǎng)，其中BBO、KTP晶體是本領(lǐng)域近幾年增長(zhǎng)最快的晶體品種，市場(chǎng)前景看好。醫(yī)用固體激光器領(lǐng)域是非線性光學(xué)晶體的另一個(gè)重要市場(chǎng)，主要應(yīng)用的是KTP、KDP和BBO晶體，CLBO也將會(huì)得到大量應(yīng)用。由于醫(yī)療行業(yè)激光器的快速發(fā)展，帶動(dòng)KTP等非線性光學(xué)晶體的需求量也迅速增長(zhǎng)。發(fā)展趨勢(shì)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(guó)際光電子領(lǐng)域最前沿的研究

6、項(xiàng)目之一，這是因?yàn)樽贤饧す庠谠S多高技術(shù)領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用，如新一代的集成電路光刻技術(shù)需要全固態(tài)的紫外相干光源；光電子能譜、光譜技術(shù)中，迫切需要可調(diào)諧的全固態(tài)深紫外相干光源，這對(duì)于推動(dòng)深紫外光譜、能譜儀的發(fā)展將起到關(guān)鍵性的作用，并將開(kāi)辟一個(gè)新的物質(zhì)科學(xué)研究領(lǐng)域；深紫外相干光源還將極大地推動(dòng)激光精密機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展。由于目前還沒(méi)有直接輸出深紫外波長(zhǎng)的激光晶體問(wèn)世，解決固態(tài)深紫外激光光源的關(guān)鍵問(wèn)題集中在紫外波段的NLO變頻晶體的研制和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，其帶動(dòng)相關(guān)工業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的前景是十分誘人的。2）現(xiàn)有非線性光學(xué)晶體性能的改進(jìn)以及新晶體的開(kāi)發(fā) 3）非線性光學(xué)晶體的周期性極化準(zhǔn)相位匹配技術(shù)（QPM）4）紅外波段的非線性光學(xué)晶體相對(duì)于可見(jiàn)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