第七章-材料的结构与光学性能课件.ppt

1、第七章 材料的结构与光学性能 线性光学性能 非线性光学性能第一节 线性光学性能 P=0 E 1.单频率光入射到非吸收透明介质中，频率不发生变化。2.不同频率光入射到介质中，不发生耦合，也不产生新的频率。3.两束光相遇，相干光干涉，非相干光服从线性叠加原理。一 线性光学性能的基本参量 1.折射率 sin/sinr=n2/n1=1/2=n21 介质的折射率永远是大于1的常数 n=()n=1/2 折射率n与介质的极化现象有关 当离子半径增大时，n 用大离子得到高n，小离子得到低n 2.色散及色散系数 色散dn/d 色散系数 =(nd-1)/(nf-nc)nd、nf和nc分别为用钠的D谱线、氢的F谱线

2、和C谱线(58934861和6563)测得的折射率。应用：消色差镜头3.双折射及非常光折射率 自然光进入非均质介质时，分成振动方向相互垂直，传播速度不等的两个波，分别形成两条折射光线，称为双折射。常光折射率no 非常光折射率ne4.反射及反射系数 W=W+W 反射系数R=W/W 透射系数1 R=W/W 在垂直入射的条件下，界面反射的多少，取决于相对折射率n21。应用：如果连续透过x块玻璃，则透过部分应为(1-R)2x。22121)11nnWWR（5.全反射 光线从光密介质进入光疏介质时，折射角大于入射角。当入射角为某临界角时，折射角可达90，对更大的入射角，光线能全部返回光密介质，即全反射。全

3、反射的临界角：sini临界1/n 玻璃的临界角为42。钻石2.417 应用：光纤通讯6.吸收系数 光强度随穿过介质厚度的变化规律：Lambert定律：I=I0e-x。为吸收系数，4K/，其单位为cm-1。金属与玻璃的透光性。光吸收与光波长的关系：禁带宽度 hchEg 7.散射 光波遇到不均匀结构产生与主波方向不一致的次级波，从而引起散射。散射引起光强衰减：I=I0e-Sx S为散射系数，单位cm-1.当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。二.线性光学性能的应用及其影响因素1.透光性 透光性是一个综合指标，即光能通过介质材料后剩余光能所占的百分比。(1)材料的宏观及显微缺陷 (2)晶

4、粒排列方向的影响 例如-Al2O3晶体的n0=1.760,ne=1.768,假设相邻晶粒的取向彼此垂直，则晶界面的反射系数621014.51760.1768.11760.1768.1）（R光轴方向光轴方向双折射晶体在晶粒界面产生连续的反射和折射 设材料厚度2mm,晶粒平均直径10m,理论上有200个晶界，除去晶界反射损失后，剩余光强为(1-R)200=0.99879。从散射损失来分析，n21 1,所以K 0,S=KV/r 0,散射损失也很小，这就是氧化铝陶瓷可能制成透明灯管的原因。金红石晶体的no=2.854,ne=2.567,因而其反射系数 R=2.8 10-3。设材料厚度3mm,平均晶粒直

5、径3m,则剩余光能只剩下(1-R)1000=0.06.此外，因K较大，S 大，散射损失大，故金红石不透光，不能制成透明陶瓷。(3)气孔引起的散射损失 一材料气孔体积分数为0.2%，d=4m,试验所得散射因子K24,则散射系数为 S=3KV/(4r)=3 2 0.002/(4 0.002)=1.5(mm-1)设计材料厚度3mm,I=I0e-1.53=0.011I0,剩余光能只能为1%左右。气孔的影响程度与气孔的直径有关。假如是微小气孔，d=0.01m,气孔体积分数高达0.63%。如果材料厚2mm,I=I0e-0.0032 2=0.994I0,散射损失不大，仍是透光材料。2.界面反射与光泽 材料对

6、光的反射效果与反射界面的表面粗糙度有关：镜反射：反射光线具有明确的方向性。漫反射：反射光线分散在各个方向上 光泽主要由折射率和表面粗糙度决定。3.不透明和半透明性 不透明性（乳浊）在基质玻璃中引入第二相离子，利用光 的散射效果，使光线柔和。决定乳浊度的主要因素：颗粒尺寸、相对折射率、第二相颗粒的体积分数。半透明性 入射光中漫透射分数对材料的半透明性起决定作用 负折射负折射 负折射现象是俄国科学家Veselago 1 在1968 年提出的：当光波从具有正折射率的材料入射到具有负折射率材料的界面时，光波的折射与常规折射相反，入射波和折射波处在于界面法线方向同一侧。负折射现象实验和超透镜提出时引起极

7、大的争议，因为这些概念违反人们的直觉。被认为是极其不现实和荒谬的行为。但是几十年来，特异材料一直是理论家们的梦想。直到本世纪初这种具有负折射率的材料才被制备出来2。这种材料由金属线和非闭合金属环周期排列构成，也被称为metamaterial。在这种材料中，电场、磁场和波矢方向遵守“左手”法则，而非常规材料中的“右手”法则。具有负折射率的材料也被称为左手材料，光波在其中传播时，能流方向与波矢方向相反。英国科学家Pendry 提出折射率为-1的一个平板材料可以作为透镜实现完美成像3。“负折射率材料的光学性质非常奇特，它有着很多新奇的应用价值。”特异材料可以用于光学，改进光学系统的监督和交流能力。其

8、它的应用方向包括平面无孔成像设备、无波长分辨率的理想透镜、操作生物细胞的不破坏光学镊子、新型天线、新的束流操作设备、传感器保护方案、新型带隙材料和高密度光学存储器。1 V.G.Veselago,“The Electrodynamics of substance with simultaneously negative value of andµ”,Sov.Phys.Usp.10,509(1968).2 R.A.Shelby,D.R.Smith,and S.Schultz,“Experimental Verification of a Negative Index of Refrac

9、tion”,Science 292,77(2001).3 J.B.Pendry,“Negative Refraction Makes a Perfect Lens”,Phys.Rev.Lett.85,3966(2000).德国奥格斯堡大学的Andrei Pimenov、美国北伊利诺斯州大学科学研究院的Andrei Pimenov及其合作者们制成的这种新材料由铁电氧化锰及超导氧化铜薄膜的多层膜堆组成。当不施加外部磁场时，试样是超导体并且具有负介电常数。当施加了3特斯拉大小的外部磁场时，导磁率逐渐成为负数，并接近于所谓的谐振场。这样就满足了获得负折射率材料所需的两个条件。2006年美国科学杂志将负

10、折射和超透镜评为当年十大科技进展之一。1960年制造出世界上第一台红宝石激光器 61年将694.3nm激光入射到石英晶体 694.3nm 347.2nm 这是世界上首次发现的激光倍频现象。一.非线性光学性能的概念 P=(1)ijEj(1)+(2)ijkEj(1)Ek(2)+(3)ijklEj(1)Ek(2)El(3)+.第二节 非线性光学性能 其中二次项(2)ijk所引起的非线性光学效应最显著，称为二阶非线性极化系数或倍频系数。当3=1+2时，所产生的二次谐波为和频，当3=1-2时为差频。二、产生非线性光学性能的条件 1.入射光为强光光强w/cm2光电场强度v/cm普通光源1-100.1-10

11、激光1010107原子内电场109 2.对晶体的对称性要求(2)ijk是三阶张量，有33个分量。克莱曼认为(2)ijk是全对称的三阶张量：ijk=jik=kij=ikj=ikj=kji 使独立分量的数目减至10个。存在于20种没有对称中心的压电晶类中，其中D4-422 D6-622两种晶类的二阶非线性极化系数全部为零。只有18种晶类才可能具有非线性光学效应。3.位相匹配 基频光1和倍频光2，1+1=21=2 位相匹配没有动量损失：K1+k1=2k1=k2,k=n/c.2n1(1)1=n2(2)2 n1(1)=n2(2),n(2)=n()这就是晶体倍频效应的位相匹配条件。因为立方晶系的晶体不能实

12、现位相匹配，具有非线性光学效应的晶体只剩下16中。三、结构与性能的关系 阴离子基团理论：非线性光学效应是入射波与阴离子基团中的电子相互作用的结果，宏观倍频系数是阴离子基团微观倍频系数的几何迭加。式中V为晶胞体积，P单胞中不等价基团的个数，NP第P类集团的数目。方向余弦，第P类基团的二级极化率。)p()p()p()p(NV1(2)kjikkpkjijjiip(2)ijk/优良非线性光学晶体应具备的结构条件 1.组成晶体的基本单元，必须是基团或分子 2.阴离子的结构类型要有利于产生大的非线性效应。MO6 KTP晶体中的TiO6 3.阴离子在空间的排列方式，要有利于微观非线性光学效应的叠加。4.晶体

13、单位体积内，对非线性光学效应有贡献的基团数目要尽可能多。四、非线性光学材料的应用 激光器产生的激光波段非常有限，能获得大功率激光的波段更少。Nd:YAG 1.06 m Cr:Al2O3 0.694 m CO2 Laser 10.6 m 从实用的角度看，非线性光学材料应具备 1.大的倍频系数；.相位匹配；.高的激光损失值；.宽的透光波段；易于加工 二次谐波发生：当激光通过非线性光学晶体时，产生的二次非线性光学效应，是将频率为的入射光变换成频率为2的出射光。和频发生：当两束频率不同的光同时入射非线性光学晶体时，将产生第三种频率的激光，3=1+2时，称为和频，也称为激光频率上转换；当3=1-2时，称为差频，或激光频率下转换。可大大拓宽激光辐射光谱区范围。