非线性晶体
陈创天是一位有突出贡献的科学家,他主要科研 成果和荣誉有:1983年9月,研制成低温相 偏硼酸钡BBO优质非线性光学晶体;19 87年,研制出三硼酸锂LBO晶体,先后 被美国评为1987年度和1989年度“国际 十大激光高技术产品之一”,获得1991年度 国家发明一等奖。2003年中国科学院院士, 现在中科院理化技术研究所工作。
非线性光学晶体偏硼酸钡
新型非线性光学晶体相偏硼酸钡,亦即今天人们耳熟能详的高技术 晶体BBO。这是中国科学院福建物质结构研究所的一项重大科研成 果,曾在国际学术界引起震动,该项发明成果在转化为高科技产业 后已取得重大经济效益。 非线性光学晶体是一种功能材料,其中的倍频(或称“变频”) 晶体具有倍(变)频效应:当激光束通过这种晶体时,原来的波长 和频率便发生变化,因而透射出来的是一种不同的新的光束。非线 性光学晶体的变频效应还使人们有可能根据需要选择激光频率,此 即通常所说的“激光调频”。只是激光调频并不像日常生活中随意 选择电视频道那样方便,因为一般的非线性光学晶体只能在一个很 有限的范围内实现调频。于是,寻找一种能在大波段范围内实现连 续可调的激光光源,成了科学家们梦寐以求的目标,而这取决于能 不能找到合适的非线性光学晶体材料。 在卢嘉锡院士的指导下,中国科学院福建物质结构研究所于80 年代初期在世界上首先发现和研制成功了性能优异的新型非线性光 学晶体BBO,它以前所未有的连续可调范围及优异的晶体质量而引 人瞩目,被公认为目前世界上最优秀的二阶非线性光学晶体。其不 同凡响的特点之一是具有很宽的调频范围,而在紫外波段独领风骚; 更重要的是利用它的频率下转换过程,可制成波长从可见光到近红 外连续可调、全固化调谐激光器,
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晶体为什么产生非线性光学效应呢?以铌酸钾为例,刚结 晶的铌酸钾晶体是立方相的,如图4-1,立方中心是铌原子, 铌与氧构成NbO6八面体。这时,晶体为中心对称,正负电 荷中心重叠。当温度降到425℃时,晶体从立方相转变为四 方相。正负电荷中心发生位移,产生电偶极矩,有了极化 矢量,此时,晶体结构为非中心对称,便有了非线性效应。
非线性光学晶体
非线性光学效应在传统的线性光学范围内,一束光通过晶体后, 光的频率不会改变。然而当光通过某种晶体后产生频率为入射光 两倍的光,则将这种现象称为非线性光学效应。产生非线性光学 效应的晶体叫非线性光学晶体。这种晶体必须是非中心对称晶体。
晶体的影响几乎渗透到了人类生活的每个方面。从石英手 表中的石英晶体振荡器到高密度信息存储、集成电路的制 备都涉及到晶体。非线性光学晶体的一个重要作用是改变 激光的波长。物理学的规律告诉我们,波长每缩短一倍, 存储的密度就会增加4倍。像我们常用到的VCD、DVD的工 作波长都是不一样的。另外,随着集成电路器件密度的增 加,器件的线度就越来越小,随之制作集成电路的光刻技 术要求光的波长越来越短。利用非线性光学晶体的倍频效 应是产生短波长的重要方法。 中国在人工晶体,尤其在非线性晶体方面领先的地位,国 际上是公认的。现在激光器里用的最多的三种类型的非线 性光学晶体是BBO、LBO和KTP。前两种是中国发明的, 第三种是美国杜邦公司发明的,但在中国“长”出来的 (培养出足够大尺寸)。你打开任何一台高级的激光器, 里面用到的非线性晶体不外乎这三种。各国研究的非线性 光学晶体有几十种,但真正用到商品上的就这三种。
美国于1985年建成世界上最大的激光核聚变 “诺瓦”装置,10路激光束产生的能量超过40 千焦耳。1994年美国批准建造一耗资18亿美元 的“诺瓦升级”装置,总能量为1.8兆焦耳, 其功率相当于全美国电网总功率的1000倍。这 套“诺瓦升级”装置激光系统由199个子光束 组成,每个光束都用到非线性光学晶体,将从 激光器里产生的激光调整到原来频率的两倍或 三倍,成为波长等于351纳米的近紫外强脉冲 激光。目前使用的“诺瓦”装置的非线性光学 晶体是磷酸二氢钾晶体。