晶体的光学性质

1、晶体的光学性质报告人：孙玉祥SDUShanDong University目 录晶体的线性光学性质1晶体的非线性光学性质2晶体在外场作用下的光学性质3晶体的线性光学性质晶体的线性光学性质线性光学性质的定义：线性光学性质的定义： 介质在光电场介质在光电场 作用下，引起的电极化强度作用下，引起的电极化强度 与电场强度与电场强度 成线性关系成线性关系 式中，式中， 为电极化率。根据经典模型，电子极化所辐射的次波与入射光频率为电极化率。根据经典模型，电子极化所辐射的次波与入射光频率相同，因此不会出现其他频率的光。相同，因此不会出现其他频率的光。 EP0PEE两束以上的光波在介质中传播时，遵从独立传播原理

2、，光波之间不会发生相两束以上的光波在介质中传播时，遵从独立传播原理，光波之间不会发生相互作用或散射，从而不会改变他们各自的频率。而当它们在介质中相遇时，互作用或散射，从而不会改变他们各自的频率。而当它们在介质中相遇时，遵从线性叠加原理，即当它们是频率不同的非相干光时则光强相加，而当它遵从线性叠加原理，即当它们是频率不同的非相干光时则光强相加，而当它们是相干光时，则发生传统的光的干涉和衍射等现象。们是相干光时，则发生传统的光的干涉和衍射等现象。晶族晶族晶系晶系对称特点（特征对称要素）对称特点（特征对称要素）晶胞参量晶胞参量独立参量个数独立参量个数高级晶族高级晶族（光学均质体）（光学均质体）立方晶

3、系立方晶系多多于于一一个个高高次次轴轴在立方体对角线方向有四在立方体对角线方向有四个个3次轴（旋转轴或旋转次轴（旋转轴或旋转倒反轴）倒反轴）1中级晶族中级晶族（单轴晶）（单轴晶）三方晶系三方晶系只只有有一一个个高高次次轴轴唯一的高次轴为唯一的高次轴为3次轴次轴（旋转轴或旋转倒反轴）（旋转轴或旋转倒反轴）菱形菱形2三方三方四方晶系四方晶系唯一的高次轴为唯一的高次轴为4次轴次轴（旋转轴或旋转倒反轴）（旋转轴或旋转倒反轴）2六方晶系六方晶系唯一的高次轴为唯一的高次轴为6次轴次轴（旋转轴或旋转倒反轴）（旋转轴或旋转倒反轴）2低级晶族低级晶族（双轴晶）（双轴晶）正交晶系正交晶系无无高高次次轴轴有两个互相

4、垂直的有两个互相垂直的2次轴次轴（旋转轴或旋转倒反轴）（旋转轴或旋转倒反轴）3单斜晶系单斜晶系只有一个只有一个2次轴（旋转轴次轴（旋转轴或旋转倒反轴）或旋转倒反轴）第一种定向第一种定向4第二种定向第二种定向三斜晶系三斜晶系只有只有1次轴（旋转轴或旋次轴（旋转轴或旋转倒反轴）转倒反轴）6ocba90cbaoocba120,90ocba90oocba120,90ocba90cbaocba90ocba90晶晶 体体 的的 分分 类类 ：晶体的线性光学性质晶体的线性光学性质单色平面波在各向同性和异性介质中传播的异同：单色平面波在各向同性和异性介质中传播的异同：各向同性介质各向同性介质各向异性介质各向异

5、性介质 与与 的方向的方向相同相同不一定相同不一定相同 与与 的方向的方向相同相同不一定相同不一定相同右手螺旋正交右手螺旋正交矢量系统矢量系统一组：一组： 两组：两组： 光线速度光线速度 是否等是否等于光的相速于光的相速相等相等不一定相等不一定相等是否有双折射现象是否有双折射现象无无有有是否有旋光现象是否有旋光现象无无部分介质有（水晶）部分介质有（水晶）DEtK t/SKmHED， KmHD， tSHE，t 对于透明的非磁性介质，各向同性介质的介电常数对于透明的非磁性介质，各向同性介质的介电常数 为与方向无关的标为与方向无关的标量常数，但在各向异性介质中则为与方向有关的张量。量常数，但在各向异

6、性介质中则为与方向有关的张量。晶体的线性光学性质晶体的线性光学性质晶体中的双折射现象：晶体中的双折射现象： 当入射光正交入射到方解石菱面上时，折射光会分成两束，一束遵守折射定律，当入射光正交入射到方解石菱面上时，折射光会分成两束，一束遵守折射定律，称为常光（称为常光（o光），一束偏离入射光路（折射角不为零），称为非常光（光），一束偏离入射光路（折射角不为零），称为非常光（e光）。光）。光轴方向特性：无双折射光轴方向特性：无双折射偏振特性偏振特性均为线偏振光均为线偏振光互相垂直互相垂直折射率特性折射率特性o光不随方向变化光不随方向变化e光随方向变化光随方向变化Oo光光e光光c轴轴光通过方解石晶体

7、时产生的双折射现象光通过方解石晶体时产生的双折射现象入射光入射光（3次轴）次轴）P晶体的线性光学性质晶体的线性光学性质各类晶体的双折射现象：各类晶体的双折射现象：高级晶族晶体：各方向折射率相同，不产生双折射。高级晶族晶体：各方向折射率相同，不产生双折射。产生一束为产生一束为o光，一束为光，一束为e光的双折射，光的双折射，e光的折射率随光的折射率随 的的 方向方向 而改变。而改变。K中级晶族晶体：中级晶族晶体：oDoEoeEeD1x2x cx3etotK,中级晶族晶体中双折射光线的各矢量图中级晶族晶体中双折射光线的各矢量图低级晶族晶体：产生两束均为低级晶族晶体：产生两束均为e光的双折射。光的双折

8、射。o低级晶族晶体中双折射光线的各矢量图低级晶族晶体中双折射光线的各矢量图IIItEDt E DH ，KH 当当 /双轴晶的一个主轴时，双轴晶的一个主轴时， ，其他方向时两者方向不一致，其他方向时两者方向不一致Kt/K当当 / 时，时， ，第一类光轴，第一类光轴K21cc 或221nnn 晶体的线性光学性质晶体的线性光学性质描述晶体光学性质的示性曲面：光率体和折射率面描述晶体光学性质的示性曲面：光率体和折射率面光率体：介电不渗透性系数光率体：介电不渗透性系数 的示性曲面，有下列重要性质：的示性曲面，有下列重要性质： ij 任一矢径代表一个任一矢径代表一个 的方向，矢径的长度或模，表示该的方向，

9、矢径的长度或模，表示该 方向的折射率：方向的折射率： 给出了晶体中与给出了晶体中与 相联系的两种偏振光波的振动方向和他们的折射率相联系的两种偏振光波的振动方向和他们的折射率 从光率体中可以求出与从光率体中可以求出与 相应的相应的 的方向，光线方向的方向，光线方向 以及离散角以及离散角 DD1n DE tSo1x2x3xKD Dnn ABP由光率体求解给定由光率体求解给定 方向上两个偏振方向上两个偏振波的折射率和波的折射率和 的方向的方向KDoD Km tSrE光波中的光波中的 、 、 、 个矢量间的关系个矢量间的关系DE tS Km晶体的线性光学性质晶体的线性光学性质K晶体对称性对光率体的影响

10、晶体对称性对光率体的影响: :高级晶族晶体：高级晶族晶体：（4个三次轴）个三次轴）中级晶族晶体：中级晶族晶体：（只有一个高次轴）（只有一个高次轴）en光轴光轴onon正光性（水晶）正光性（水晶）ononen光轴光轴负光性（方解石）负光性（方解石）低级晶族晶体：低级晶族晶体：（没有高次轴）（没有高次轴）3xoror1x1c2c3n1n2n2n正2 晶体对称性晶体对称性光率体的形状和取向光率体的形状和取向制约制约正光性正光性负光性负光性ooonononononDDDD o晶体的线性光学性质晶体的线性光学性质折射率面：折射率面： ，双层曲面。，双层曲面。nrmnKr,各类晶体的折射率面图形：各类晶体

11、的折射率面图形：高级晶族晶体：高级晶族晶体：（4个三次轴）个三次轴）onononononDDDD o中级晶族晶体：中级晶族晶体：（只有一个高次轴）（只有一个高次轴）正单轴晶折射率面正单轴晶折射率面负单轴晶折射率面负单轴晶折射率面K3x2xonononeneno1x2xenenonono1x2xenenonono3x1xenonono低级晶族晶体：低级晶族晶体：（没有高次轴）（没有高次轴）3x1n1n2n3n2x3x1x1c2c3n1n2n2n1x2x1n2n3n3n双轴晶折射率面的主轴截面双轴晶折射率面的主轴截面晶体的线性光学性质晶体的线性光学性质折射率的色散：折射率的色散： 当光波的波长变化

12、时，折射率会相应的改变当光波的波长变化时，折射率会相应的改变 2212212CCBBAn2121,CCBBA其中，其中， 为待定系数，为待定系数， 为真空中波长。为真空中波长。光率体或折射率面的色散：由于主折射率随波长而变化，晶体中光率体和折光率体或折射率面的色散：由于主折射率随波长而变化，晶体中光率体和折射率面的形状和取向，都会随波长变化射率面的形状和取向，都会随波长变化晶体的线性光学性质晶体的线性光学性质光率体色散形状光率体色散形状折射率面色散形状折射率面色散形状高级晶族高级晶族一组同心的球面一组同心的球面一组同心的球面一组同心的球面中级晶族中级晶族几个具有同一旋转轴几个具有同一旋转轴（光

13、轴）、但大小不同（光轴）、但大小不同的一套旋转椭球面的一套旋转椭球面几对大小不同的共轴（光几对大小不同的共轴（光轴）双层面轴）双层面-不同波长的不同波长的折射率面可能相交折射率面可能相交低级低级晶族晶族正交晶系正交晶系光轴角色散（主轴光轴角色散（主轴/晶轴）晶轴）单斜晶系单斜晶系2次轴（次轴（b轴）方向主轴不发生色散轴）方向主轴不发生色散三斜晶系三斜晶系无规则无规则3x1x位相匹配方向位相匹配方向0.531.06o3LiNbO在不同波长下的折射率曲面在不同波长下的折射率曲面o光光e光光主截面主截面光轴光轴BTUSAConenenKetPBAoqKPietonen enCD光轴光轴晶体晶体单轴晶

14、正入射（单轴晶正入射（a）和斜入射（）和斜入射（b）的）的STU截面的双折射光路截面的双折射光路（a）（b）晶体中的光路晶体中的光路in晶体晶体iii1 i2i1 im2imiimimq双折射光波双折射光波in晶体晶体12iim2m1mqm双反射光波双反射光波在晶体界面上在晶体界面上在晶体在晶体晶体的线性光学性质晶体的线性光学性质偏振光的干涉：偏振光的干涉：振动方向互相垂直：振动方向互相垂直：2sin2cos22212122222121aaSSaSaS振动方向互相平行：振动方向互相平行： ，cos22121IIIII2频率相同的两线偏振光的叠加，频率相同的两线偏振光的叠加，222111cos,

15、costaStaS晶体中双折射光的叠加：（条件：晶体界面垂直于一主轴，正交入射）晶体中双折射光的叠加：（条件：晶体界面垂直于一主轴，正交入射）D与晶体界面光与晶体界面光率体主轴夹角率体主轴夹角位相差的改变位相差的改变（d递增）递增）合成光波的形状合成光波的形状变化（变化（d递增）递增） 递增递增直线直线-椭圆椭圆-圆圆-椭椭圆圆-直线直线直线直线-不同取向不同取向的椭圆的椭圆-直线直线=45 45 3x1xoD二分之一波片、四分之一波片二分之一波片、四分之一波片，八分之一波片和全波片，八分之一波片和全波片晶体的线性光学性质晶体的线性光学性质晶体中双折射光的干涉：晶体中双折射光的干涉：（条件：晶

16、体界面垂直于一主轴，正交入射）（条件：晶体界面垂直于一主轴，正交入射）oDD BACDPFE平行偏光镜平行偏光镜正交偏光镜正交偏光镜晶体的线性光学性质晶体的线性光学性质222sin2sin2sincosODI晶片效应晶片效应起偏镜起偏镜P检偏镜检偏镜A晶体晶体入射光入射光o光光e光光接收屏接收屏在显微镜的载物台下加一短焦距的聚光透镜，并在检偏镜在显微镜的载物台下加一短焦距的聚光透镜，并在检偏镜与目镜之间加入勃氏镜，在高倍的接物镜下可以观察晶片与目镜之间加入勃氏镜，在高倍的接物镜下可以观察晶片在聚敛偏光下的干涉现象，干涉图像称为锥光干涉图。在聚敛偏光下的干涉现象，干涉图像称为锥光干涉图。晶片的锥

17、光干涉图：晶片的锥光干涉图：双轴晶锐角等分线干涉图（双轴晶锐角等分线干涉图（a） 0 位置；（位置；（b） 45 位置位置单轴晶的光轴干涉图单轴晶的光轴干涉图单轴晶或双轴晶单轴晶或双轴晶晶体光性符号晶体光性符号光率体方位光率体方位晶体的线性光学性质晶体的线性光学性质晶体的非线性光学性质晶体的非线性光学性质在激光出现后，由于光源场在激光出现后，由于光源场 太强，使得太强，使得 与与 呈现出幂级数的关系：呈现出幂级数的关系：EPE 332210EEEP式中，式中， 为线性极化系数，为线性极化系数， 和和 等称为介质的非线性极化系数。等称为介质的非线性极化系数。 1 2 3定义：定义：倍频效应的发现

18、：倍频效应的发现：三棱镜三棱镜水晶片（石英板）水晶片（石英板）透镜透镜红宝石脉冲激光器（红宝石脉冲激光器（694.3 nm）1961年年Franken等人发现倍频效应的实验装置图等人发现倍频效应的实验装置图694.3 nm347.2 nm大量非线性效应的发现：和频和差频（合称混频），光参量振荡大量非线性效应的发现：和频和差频（合称混频），光参量振荡- 项项 受激拉曼散射（受激拉曼散射（SRS），双光子吸收（），双光子吸收（TPA），受激瑞利），受激瑞利 散射和布里渊散射，自聚焦现象散射和布里渊散射，自聚焦现象- 项项 2 3晶体的非线性光学性质：晶体的非线性光学性质：位相匹配位相匹配正单轴晶（

19、正单轴晶（ ）负单轴晶（负单轴晶（ ） 第一类第一类（平行式）（平行式）匹配方式匹配方式匹配条件匹配条件倍倍 频频 光光极化强度极化强度 第二类第二类（正交式）（正交式）匹配方式匹配方式匹配条件匹配条件倍倍 频频 光光极化强度极化强度倍频过程中的位相匹配：倍频过程中的位相匹配：位相匹配条件：位相匹配条件：2211nn能量守恒定律能量守恒定律动量守恒定律动量守恒定律2211oenn oenn oeeeooomenn21meonn21 eeinoeeEEFP,21 ooineooEEFP,22oeoeoeomeonnn21121memeonnn21121 eoinooeEEFP,22 oeinee

20、oEEFP,21表表3 单轴晶的位相匹配方式和条件单轴晶的位相匹配方式和条件负光性单轴晶多数能满足位相匹配条件，以第一类匹配应用最多：对于正光性负光性单轴晶多数能满足位相匹配条件，以第一类匹配应用最多：对于正光性单轴晶，其基频折射率面完全在倍频折射率面内，故一般不能实现位相匹配。单轴晶，其基频折射率面完全在倍频折射率面内，故一般不能实现位相匹配。晶体的非线性光学性质晶体的非线性光学性质位相匹配条件：位相匹配条件：332221211211nnn能量守恒定律能量守恒定律动量守恒定律动量守恒定律光混频和光参量振荡：光混频和光参量振荡：频率上转换：夜视仪（热辐射频率上转换：夜视仪（热辐射 可见光）可见

21、光）频率下转换：远红外光研究频率下转换：远红外光研究光参量放大：光参量放大：假设有信号频率假设有信号频率 存在于晶体中，用一强激光投射到晶体上存在于晶体中，用一强激光投射到晶体上（泵浦光），其频率为（泵浦光），其频率为 ，且，且 ，则由于差频效应，产，则由于差频效应，产生频率为生频率为 的极化波，这个极化波在晶体中传播，与的极化波，这个极化波在晶体中传播，与泵浦光相遇，发生混频，产生泵浦光相遇，发生混频，产生 的极化的极化波，最后产生的波，最后产生的 光波同最初的光波同最初的 光波满足位相匹配，使得原光波满足位相匹配，使得原始信号放大，这就是参量放大。始信号放大，这就是参量放大。spspspi

22、-ssppsp-光参量振荡：光参量振荡：光参量放大过程中，当泵浦光提供的增益超过光参量放大过程中，当泵浦光提供的增益超过 和和 的腔体损耗的腔体损耗时，便产生振荡。时，便产生振荡。si晶体的非线性光学性质晶体的非线性光学性质ss拉曼散射：拉曼散射：自发拉曼散射：自发拉曼散射：1928年，光波被原子或分子散射后会发生频率的改变。年，光波被原子或分子散射后会发生频率的改变。1963年，年，Eckhardt在金刚石、方解石、硫磺中首次观察到。在金刚石、方解石、硫磺中首次观察到。 然而，直到然而，直到1977年，年，Ammann报道了报道了 晶体中受激拉曼晶体中受激拉曼散射的频率转换效率达到高效的散射

23、的频率转换效率达到高效的77%，才引起人们的重视，才引起人们的重视。3LiIO受激拉曼散射：受激拉曼散射：受激拉曼散射：（受激拉曼散射：（a）斯托克斯线的产生）斯托克斯线的产生;（b）反斯托克斯线的产）反斯托克斯线的产生生LSR aRLS-LASR bRLASASSII 晶体的非线性光学性质晶体的非线性光学性质几种主要的非线性光学晶体的非线性光学系数：几种主要的非线性光学晶体的非线性光学系数：材料名称材料名称化学式化学式对称性对称性绝对值绝对值（ ）相对值相对值 （ ）11.21铌酸锂铌酸锂105.875铌酸钡钠铌酸钡钠313142淡红银矿淡红银矿（合成）（合成）20.021.3碘酸碘酸10.

24、5碘酸锂碘酸锂11.912.4硒硒240碲碲1460辰砂（合成）辰砂（合成）90KDPADP42POKH424POHNH3LiNbO1522ONaNbBa33AsSAg3HIO3LiIOSeTeHgSm24m24m32mmm32226323232V/m1012-KDPin36/63. 03676. 036.36-316 . 32274-3302-3102-3262-336 .12314 .13226 . 6146 . 6-31.87-33150114300920115711晶体的非线性光学性质晶体的非线性光学性质几种主要的单轴晶非线性光学晶体的性质：几种主要的单轴晶非线性光学晶体的性质：材料材

25、料透明波段透明波段（ ）使用波长使用波长（ ）吸收系数吸收系数（ ）折射率折射率（ ）非线性光学系数非线性光学系数倍频位相匹配倍频位相匹配角（室温）角（室温）表面破坏阈值表面破坏阈值（ ） 为脉宽为脉宽0.21.51.060.031.49 1.460.531.51 1.470.21.61.060.051.49 1.460.530.051.51 1.170.21.21.060.11.51 1.470.531.53 1.480.261.431.0640.041.55 1.530.5321.57 1.550.221.41.0640.041.50 1.470.5320.011.51 1.480.33.

26、51.060.061.86 1.720.451.060.082.23 2.160.6313.510.60.0732.60 2.851.062.70 2.99mm1cmo20onen21/ NcminIII2/cmWpKDPDKDPADPCDARDP3LiIO3LiNbOHgS，负m24，负m24，负m24，负m24，负m24，负6，负m3，正327-361016. 029. 3）（8-36103 . 13 .30）（7-361019. 098. 3）（8-36105 . 33 .30）（8-361016. 33 .30）（o41o59o37o5 .53o42CToo5090oo875 .83oooT6331906450o5083o2 . 0103 . 27p2 . 0107 . 17p25. 01069p601058p101058p101068p101028p1210738p6-151022. 017. 4）（o30201067p6-151022. 01 . 4）（)631C8-(90CTooo30102 . 18p5-111026. 179. 3）（o8 .20171047p晶体的非线性光学