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
2、的D谱线、氢的F谱线和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，
3、光线能全部返回光密介质，即全反射。 全反射的临界角：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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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 and µ”, Sov. Phys. Usp. 10, 509 (1968).2
9、R. A. Shelby, D. R. Smith, and S. Schultz, “Experimental Verification of a Negative Index of Refraction”, 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
10、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
11、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
12、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，
13、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。
