上游充夏大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 非线性光学材料 原理简介 TFT-LCD关键材料及枝术国家工程实验室 光电材料与器件中心 1 National Engineering Lab for TFT-LCD Materials and Technologies Center for Opto-electronic Materials and Devices
1 非线性光学材料 原理简介
上游充夏大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 非线性光学材料 非线性光学材料就是那些光学性质依赖于入射光强度的材料，非线性光学性质 也被称为强光作用下的光学性质，主要因为这些性质只有在激光这样的强相干 光作用下才表现出来。 利用非线性光学晶体的倍频、和频、差频、光参量放大和多光子吸收等非线性 过程可以得到频率与入射光频率不同的激光，从而达到光频率变换的目的。 这类晶体广泛应用于激光频率转换、四波混频、光束转向、图象放大、光信息 处理、光存储、光纤通讯、水下通讯、激光对抗及核聚变等研究领域。 TFT-LCD关键材料及枝术国家工程实验室 光电材料与器件中心 2 National Engineering Lab for TFT-LCD Materials and Technologies Center for Opto-electronic Materials and Devices
2 非线性光学材料 非线性光学材料就是那些光学性质依赖于入射光强度的材料，非线性光学性质 也被称为强光作用下的光学性质，主要因为这些性质只有在激光这样的强相干 光作用下才表现出来。 利用非线性光学晶体的倍频、和频、差频、光参量放大和多光子吸收等非线性 过程可以得到频率与入射光频率不同的激光，从而达到光频率变换的目的。 这类晶体广泛应用于激光频率转换、四波混频、光束转向、图象放大、光信息 处理、光存储、光纤通讯、水下通讯、激光对抗及核聚变等研究领域
上游充通大 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 倍频、和频、差频 E(t)=Ee-iot +E2e-iot +c.c. (1) P()=6o[xDE()+x2E2()+x8)E3()+…] (2) =p0()）+p2)+80)+. pO(t)=eoX[Ee-2io+Ee-2io+2E1E2e-i(+) +2E1Ee-i(@1-02)+c.c.]+2e0x[E1E+E2E2] TFT-LCD关键材料及枝术国家工程实验室 光电材料与器件中心 3 National Engineering Lab for TFT-LCD Materials and Technologies Center for Opto-electronic Materials and Devices
3 倍频、和频、差频 (1) (2)
上游充通大 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 倍频、和频、差频 E〉 P(2w1)=∈0X2E 倍频 P(w1+o2)=2e0X2E1E2 (SFG), 和频 P(w1-w2)=2e0X2)E1E (DFG), 差频 P(0)=2e0x2(E1E*+E2E) (OR). TFT-LCD关键材料及枝术国家工程实验室 光电材料与器件中心 4 National Engineering Lab for TFT-LCD Materials and Technologies Center for Opto-electronic Materials and Devices
4 倍频、和频、差频 倍频 差频 和频
上游充夏大学 电光效应 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 电光效应是在外加电场作用下，物体的光学性质所发生 的各种变化的统称。与光的频率相比，通常这一外加电 场随时间的变化非常缓慢 光吸收的变化 折射率和介电常数的变化 一阶响应 二阶响应 普克尔效应 克尔效应 TFT-LCD关键材料及枝术国家工程实验室 光电材料与器件中心 5 National Engineering Lab for TFT-LCD Materials and Technologies Center for Opto-electronic Materials and Devices
5 电光效应 电光效应是在外加电场作用下，物体的光学性质所发生 的各种变化的统称。与光的频率相比，通常这一外加电 场随时间的变化非常缓慢 光吸收的变化 折射率和介电常数的变化 一阶响应 二阶响应 普克尔效应 克尔效应
上游充通大 折射率随电场变化 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 折射率n随外电场E的变化函数设为n'=n(E),并对该式进行 泰勒展开，则实际折射率为： n'=noE0+n1E1+n2E2+… =no+a1E+a2E2+… no:不随电场变化的折射率 a1:线性电光效应因子 普克尔效应 a2:二阶电光效应因子 克尔效应 更高阶的项忽略 TFT-LCD关键材料及枝术国家工程实验室 光电材料与器件中心 6 National Engineering Lab for TFT-LCD Materials and Technologies Center for Opto-electronic Materials and Devices
6 折射率随电场变化 折射率n随外电场E的变化函数设为 n’=n(E) , 并对该式进行 泰勒展开, 则实际折射率为:
上游充夏大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 普克尔效应 德国物理学家弗里德里斯·普克尔斯(Friedrich Pockels)于 1893年研究发现 △n=a1E 但这种效应只存在缺少反演对称性的晶体中，例如铌酸锂 (LiNbO3),钽酸锂(LiTaO3),硼酸钡(BBO),和砷化 镓(GaAs)等，或存在其它非中心对称的介质，例如在电 场极化高分子和玻璃中出现。 TFT-LCD关键材料及枝术国家工程实验室 光电材料与器件中心 7 National Engineering Lab for TFT-LCD Materials and Technologies Center for Opto-electronic Materials and Devices
7 普克尔效应 德国物理学家弗里德里斯·普克尔斯(Friedrich Pockels)于 1893年研究发现 但这种效应只存在缺少反演对称性的晶体中，例如铌酸锂 （LiNbO3）,钽酸锂（LiTaO3），硼酸钡（BBO），和砷化 镓（GaAs）等，或存在其它非中心对称的介质，例如在电 场极化高分子和玻璃中出现
上游文通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 对称性与普克尔效应 从普克尔效应的一般式来看，普克尔效应对折射率的改变 量与其外加电场成正比，即△n=a1E。这也意味着当电场 反相时，其改变量也相反。改变外电场的方向，其普克尔 效应的表现应该是不同的。 但对于中心对称的分子晶体来说，电场的反相与否在结构 上并没有本质的区别 TFT-LCD关键材料及枝术国家工程实验室 光电材料与器件中心 8 National Engineering Lab for TFT-LCD Materials and Technologies Center for Opto-electronic Materials and Devices
8 对称性与普克尔效应 但对于中心对称的分子晶体来说，电场的反相与否在结构 上并没有本质的区别
上游充通大警 对称性与普克尔效应 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 这意味着具有中心对称结构的分子其折射率改变在两个大小相 等方向相反的电场下是一样的。即： △n=a1E=a1(-E) 唯一解是α1=0，即中心对称的分子结构不存在普克尔效应。 只有非中心对称的材料才有可能具有普克尔效应。 TFT-LCD关键材料及枝术国家工程实验室 光电材料与器件中心 9 National Engineering Lab for TFT-LCD Materials and Technologies Center for Opto-electronic Materials and Devices
9 对称性与普克尔效应 这意味着具有中心对称结构的分子其折射率改变在两个大小相 等方向相反的电场下是一样的。即：
上游充通大 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 普克尔效应的应用 根据施加外电场的方向，普克尔效应可以对不同方向的折射率 进行调制，进而改变材料的主光轴。 例如使各向同性的材料变为具有双折射现象的材料，把单轴晶 体变为双轴晶体，旋转主光轴方向等。 根据对特定方向折射率的调制，便可以制作出以电信号调制的 相位调制器，称为普克尔光盒。 Input Output light light L TFT-LCD关键材料及枝术国家工程实验室 光电材料与器件中心 10 National Engineering Lab for TFT-LCD Materials and Technologies Center for Opto-electronic Materials and Devices
10 普克尔效应的应用 根据施加外电场的方向，普克尔效应可以对不同方向的折射率 进行调制，进而改变材料的主光轴。 例如使各向同性的材料变为具有双折射现象的材料，把单轴晶 体变为双轴晶体，旋转主光轴方向等。 根据对特定方向折射率的调制，便可以制作出以电信号调制的 相位调制器，称为普克尔光盒