64、非线性光学材料：分类、特性与应用前景

非线性光学材料：分类、特性与应用前景

1. 非线性光学效应概述

在非线性光学领域，电场的施加会引发材料的变化，变化程度与电场强度相关（o + 0 → o），这种效应在波导和电光调制器中有着重要应用。此外，三阶极化率 $\chi^{(3)}$ 也展现出多种有趣的效应：
- 克尔效应 ：材料的折射率会随外加电场发生变化，该效应在光晶体管和图像处理中具有应用价值。
- 三次谐波产生 ：频率为 $\omega$ 的光进入材料后，会以频率 $3\omega$ 出射（$\omega + \omega + \omega → 3\omega$），在光学图像处理和扫描显微镜中有应用。
- 双光子吸收 ：由近乎同时吸收两个入射光子引发电子跃迁，该效应最早在 20 世纪 30 年代由 Maria Goeppert - Mayer 从理论上进行研究，常用于非线性显微镜，可实现更深的光穿透、避免光漂白并提高空间分辨率。

2. 非线性光学材料的分类及特性

2.1 无机材料

无机材料是最早被研究的非线性光学材料，自 Franken 等人观察到石英中的二次谐波产生以来，多种离子晶体如磷酸二氢钾（KDF = KH₂PO₄）、铌酸锂（LiNbO₃）、铌酸钡钠（Ba₂NaNb₅O₁₅）和 $\beta$ - 硼酸钡（BBO = BaB₂O₄）被开发出来，用于频率转换器、电光调制器和光开关等光学应用。其优点包括高稳定性、高机械强度和高非线性光学极化率，但晶体生长耗时（通常需要 1 - 8 周），晶体易吸湿、价格昂贵，难以集成到电子设备中，且响应速度较