非线性光学晶体

非线性这个词语人们一般不很熟悉，开始时常有奇异之感。但是，该词语最近的使用率很高，甚至已成为各学科研究领域的流行话。所谓非线性是指相对于某种物质其输入量、输出量不按比例进行变化。按日常经验，如转动无线电收音机的音量旋钮，开始时对照刻度而使扬声器声音变大（线性领域）。但是，如果过度旋转按钮，声音则不像刻度那样变大，声音就失真了

（非线性领域）。光也有这种非线性变化，当对某种材料过度照射强烈的单色光时，在透射光就会出现光强、波长、折射率等方面产生这种非线性现象。

在介绍非线性光学材料之前，我们先了解一下历史上的牛顿光学实验。很久以前，人们认为太阳光只有一种颜色——白光。英国大科学家牛顿

在 17 世纪做了一个令人惊奇的实验：他手拿一块用玻璃做的棱镜，在一个黑暗的屋子里，当把棱镜插入由缝隙射进屋子的太阳光束时，在墙壁上便可以看到一条五彩的光带，如天空中出现的彩虹一样：赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫；如果放下棱镜，墙上那条彩虹便消失，恢复原先白色的光斑；再次把棱镜插入光束中去，墙上便又重新出现彩色的光带。牛顿重复了多次实验，每次都得到相同的结果。后来，他把由棱镜“分离”出来的彩色光中的一种色光再通过第二个棱镜，看看这种色光还能不能再分解出彩色光来，他看到的是：彩色光束只是传播方向受到一次折射，而光的颜色不再发生变化，红色光通过之后依然是红色光，绿色光依然还是绿色光，牛顿把每种这样颜色的光叫做“单色光”。牛顿接着又将实验程序倒过来，他发现彩色光通过棱镜会合后又变成了白色。原来，看上去像是白光的太阳光，其实是由许多种单色光组合成的，人们之所以看不到有彩色光，是因为各种单色光在大气中以相同的速度传播，彼此混合，使得我们凭肉眼没有能力把它们分辨出来。当太阳光通过玻璃三棱镜的时候，因为不同颜色的光波在玻璃内的速度不同，例如红色光传播的速度比黄色光快，黄色光又比绿色光快⋯⋯按照物质的折射率和光波传播速度之间的关系，太阳光在通过棱镜之后出现了分离。此后，许多科学家又做过大量相类似的实验，结果也都和牛顿当年所做的实验结果相同。但是，从来也没有人看到过，单色光还会发生色散现象，除非他在实验时所用的不是真的单色光。

然而，到了本世纪 60 年代，科学家在用激光束来做物质的色散实验时，牛顿当年企图要想看到的现象终于出现了：颜色很纯的单色光在透过透明物质后，出现彩色，即使通过的不是棱镜，而是平面玻璃板，也会出现不同的色光来，这个奇怪的光学现象就是所谓光倍频现象。

1961 年，科学家做了这样一个实验：将红宝石激光器输出来的激光，经透镜聚焦后，进入一块透明的石英晶体片。按照通常的情况，这束红色光通过石英片后，我们见到的只能是红色光。可是，科学家在红斑的外围，意外地看到蓝色光。把光束送入棱镜光谱仪进行光波波长标定，测量的结果是，从这石英片出来的光束中含有两个波长：69.43×10-8 米和 34.77×10-8 米，后者的波长刚好等于红宝石激光波长——69.43×10-8 米的一半。这部分频率加倍的蓝色光又是从何而来的？科学家把石英晶体片换下来，放上去一片普通的玻璃片，刚才见到的那部分蓝色光便消失掉，当再换上那块石英晶体片时，蓝色光又重新出现。显然，频率加倍的那部分色光是靠着石英晶体片而产生出来的。这种石英晶体对色散是否有特殊的作用呢？科学家改用其它一些晶体材料来做实验，结果又发现不少晶体材料，如磷酸二氢氨（APP）、磷酸二氢钾（KDP）、砷酸二氢铷（RDA）、铌酸锂（LiNbO3）、碘酸锂（LiIO3）、铌酸钡钠（BNN）等等，它们也都出现了用石英晶体做实验时相同的现象。无疑，这是一种新的光学现象。科学家采用分辨本领很高的光栅光谱仪，对基波的波长和新出现的光波波长做了精确测量，对不同的晶体材料，不同的入射光功率进行了实验，结果都表明：基波的波长和新出现的这束光波波长之比都是 2。所以，科学家把这种光学现象叫做光波倍频现象。现在，人们不仅发现有频率加倍的光波，而且还发现，在高强度的光波作用下，物质产生出为原入射光波频率 3 倍、4 倍、5 倍甚至高达 25 倍的光波。

光倍频现象是非线性光学中的一个典型现象。

除了出现由每束光波各自产生的倍频光波之外，由两束光波或者几束光

波“合作”也将产生另外一些颜色的光束来，这就是光的混频。

在普通光学中，有一条很著名的原理，叫做光的迭加原理。还是在近代光学发展的初期，笛卡尔、牛顿、惠更斯、罗蒙诺索夫等科学家就提出了光的迭加原理。惠更斯在他的“光论”中写道：“光的最不可思议的性质是，从不同的甚至相反方向到来的诸光束互相穿过，一点也不妨碍彼此的行动。” 事实上，我们在通常作光学实验的时候，无论是研究它的传播方向，颜色或者它的能量变化，都是不计较在其中传播的是一束还是两束、三束光的，因为反正各束光都是独立行动，互不影响。从来没有人会怀疑，一束单色光在它通过透镜或者棱镜的时候，会因为同时有另外一束单色光通过，而使它的传播方向或者它的颜色发生变化。

然而，现在我们就不能再用老眼光看问题了，科学家发现，一束单色光的颜色，会因为同时存在另外一束单色光而有所变动。

红宝石激光器输出的是红色光束。YAG 激光器输出的是波长为 1.06 微米的红外光束，当红宝石激光器输出的激光通过倍频晶体时，在观察屏幕上我们看到红光以及由它所产生的、呈蓝色的倍频光；当我们同时将红宝石激光器和 YAG 激光器输出的两束激光一道通过倍频晶体时，按常识，这时在观察屏上充其量也就只增加波长 1.06 微米和它的倍频光波——绿色的光斑，不会再有别的颜色出现的。可是，奇怪的是，我们还看到了淡蓝色的光斑，经过光谱仪作的波长测定，这淡蓝色光对应的光波波长是 41.89×10-8 米，换成光频率的话，它刚好等于红宝石激光器输出的激光频率与 YAG 激光器输出的激光频率相加的数值。假如两束光虽然传播方向一致，在空间是重迭在一起的，但是，如果入射的时间不相同，彼此一前一后相隔一段时间，那么，这束频率相加的光束就不出现；当把两束光脉冲进入晶体的时间有一部分时间是重迭的，就开始看到这束频率相加的光束，当两束光脉冲在时间上重迭时，那么，得到的光束强度最高。

以后又发现，两束光会合后，除了有它们的频率相加的光波成份出现外，也还有频率相减的光波成份出现。前者人们通常称之为和频光波，后者称之为差频光波，两束光波在物质内会合后产生频率相加减的光波，这种现象叫做光的混频。进一步的实验又发现，两束会合的光束中，有一束是功率很高的激光，另外一束是普通光源来的光束，它们在物质内会合，也能够产生混频现象。例如，科学家将从红宝石激光器来的激光和由汞弧灯来的绿光或者黄光，在 KDP 晶体内会合，结果能够观察到由它们的频率相加的光波，这光波的强度正比于汞弧灯的强度和激光的强度。这个现象似乎还有更为重要的一层意义。因为这么一来，我们便有可能设想利用普通光源输出的光波频率，调谐激光器输出来的光频率，让我们更为方便地获得各种波长的相干单色光了。因为受天然材料的限制，现有的激光器输出的激光频率只有几种，而非覆盖整个频率范围。

或许有人会问，彩色电影和彩色电视，它们不也利用几种色光混合在一块产生另外一种颜色吗？比如，红色光和蓝色光合在一起就成了紫色光，红色光和绿色光合在一起成了黄色光。但是，我们所见到的这种颜色交换现象和这里讲的光波混频现象在本质上是完全不同的两回事情。平时，我们见到的几种色光混合后得到别种色光，那仅仅是因为颜色的“互补”关系所造成的，混合后得到的光波波长成份是没有任何变化的。比如说，红色光和绿色光合起来虽然看上去是黄色光，但把混合后的光束送入光谱仪进行波长分

析，仍旧只有原来对应于红光和绿光的波长。光混频现象就完全不一样了，比如以红色激光和绿色激光在物质内发生混频，把混频后得到的光束送入光谱仪进行波长分析，我们就会发现，除了有原来的那两种色光的波长之外，还出现几条新的光波波长，对应于它们两者频率相加和相减的光波波长。

前面我们谈的是两束光沿相同的方向传播在非线性介质中会合后产生混频。3 束、4 束，许多束光波会合在一起，它们也会产生频率相加减的光波吗？回答同样是肯定的。科学家发现，如果将三束光波在非线性物质混合后将产生出第四列光波，它的频率、强度、以及传播方向，与三束基波会合之前的传播方向光波频率有密切的联系。此时，连同新出现的光束在内，一共有四束光波一起在物质内传播。所以，通常又将这种形式的混频现象叫做四波混频。

四波混频还有一些有趣的现象，比如说，基波光束 1，2，3，三者同时会合在样品中便出现第四束光波，当同时将这三束基波光束撤掉，第四束光几乎同时消失，这是我们可以想象得到的。但是，如果只撤掉其中两束光波，例如，撤去光束 1 和 3，而让光束 2 保留下来，或者撤掉光束 2 和 3，保留下来光束 1，我们就会看到一个奇怪现象，单独留下那支“独苗”，竟然也有能力挽留光束 4 存在一段时间才消失！第二个有趣的现象是，一般来说，混频后得到的新光波——光束 4，通常它的光强度只会比基波的强度低，然而，如果实验操作适当，三束基波配合完美，情况就会逆转，新生出来的第四束光波，它的强度就可以比基波强得多，得到了光放大的作用。

科学家从事各种科学实验，常常需要用不同波长的光束。例如，天体物理研究需要波长很长的远红外光，化学研究却常需要波长很短的紫外光。激光器能够发出很纯颜色的光，强度又很高的单色光，是科学家们现在非常喜爱使用的重要光源，但是输出功率较高的几种激光器的波长大多数在近红外范围。比如，红宝石激光器、钕玻璃激光器、YAG 激光器、二氧化碳分子激光器等。波长更长的激光器当然也有，比如甲基氟气体激光器，但是，它的激光功率都很低，平均功率还不到一瓦。至于输出波长短一些的也是有的，比如氨分子激光器和准分子激光器，它们输出的波长就在紫外和远紫外。它们的平均功率水平也不高，离实用还有一段距离。

利用光波倍频和混频现象，我们就可以用现在技术上已经比较成熟、输出功率又很高的一些激光器，创造出我们所需要的各种波长的相干光。例如，利用倍频晶体将 YAG 激光器输出的激光做二次倍频，获得高功率的绿色光；作三次倍频，获得波长为 35×10-8 米左右的紫色光；作四次倍频，获得波长为 26.5×10-8 米的紫外光。同样，光波混频现象也是我们获得远红外波段相干辐射的好方法。将二氧化碳分子激光器输出束波长为 9.6 微米和 10.6 微米的激光，在 n 型锑化铟晶体中进行光混频，便可以得到波长在 100 微米左右的远红外相干光波，而由二氧化碳分子激光器在 10.6 微米附近的几个激光波长的基波在砷化镓半导体材料中进行光波混频，便可以得到波长与微波波段相接的光波了。当用波长可调谐的染料激光器来作倍频和混频的光源时，还有可能让我们获得波长从真空紫外一直到远红外，甚至功率很高的相干光束。

非线性光学材料应用的主要领域除了上述用倍频、混频技术进行频率转换外，还有光荣转向、光束畸变消除、图像放大与变换、光信息处理与光信号控制、光受限与阀值检测，全光学连接、光计算机、光贮存以及光纤通迅

与器件等。再举一个简单例子来说，非线性光学晶体材料应用于蓝绿光激光器中，可被用来进行铀同位素（238U 和 235U）的分离（铀同位素是制造原子弹的主要原料），可以用以引发核聚变。在美国的“星球大战”计划中，蓝绿激光器是基本武器之一。正由于其具有如此重要的战略意义，某些高敏非线性光学材料如 KTP（磷酸氧钛钾）等已被列为美国国务院控制下的军事物资，它的出口或转出口都必须经过美国政府的批准。目前世界各国纷纷把非线性光学材料的研究列为高科技和优先发展项目，给予高度重视。