科普:什么是非线性光学晶体?

一支普通的激光笔,内部的激光器原本发出的是人眼看不见的红外线,但在穿过前端的一块米粒大小的晶体之后,立刻就变成了鲜艳的绿色!这个能改变激光颜色的神奇小东西,就是今天要介绍的非线性光学晶体。

 

 

什么是非线性光学晶体

 

 

说起非线性光学晶体,就离不开激光,人们就会想起好莱坞的科幻电影《星球大战》中的激光剑。

 

 

 

《星球大战》电影中的激光武器剧照  

 

 

1960 年,世界上第一台红宝石(Cr3+:Al2O3)激光器诞生。1961年,Franken等首次发现激光通过石英晶体时会产生倍频现象,随后科学家们又陆续发现激光在通过某些特定晶体时会产生倍频、和频、差频、混频与光参量振荡等光学变频现象,这些晶体被称为非线性光学晶体。

 

非线性光学晶体的变频,简单地说就是改变激光波长、其中最常用的变频是使输出激光的频率是输入激光的倍数关系。改变激光的波长,对我们人的眼睛来说,就是改变了激光的颜色。

 

 

 

非线性光学晶体激光变频过程示意图

 

 

 

非线性光学晶体的应用

 

 

非线性光学晶体是重要的光电信息功能材料之一,种类多达百种,其发展程度与激光技术的发展密切相关。激光光源的波长拓展很大程度上依赖于非线性光学晶体的变频能力,是获得不同波段(不同颜色)激光的物质基础和源头,在激光存储、激光通信、激光医疗、半导体微加工、光通讯、激光加工、全息摄影、激光核聚变、激光武器等领域应用广泛。

 

非线性光学晶体的应用是“上得了厅堂,下得了厨房”,已经成为人类现代生活的重要组成部分,惊艳炫酷的舞台激光、五彩夺目的激光音乐喷泉、讲座和作报告用的绿光激光指示笔......无处不在。

 

 

 

 

绿光激光指示笔(左)激光舞台表演(右)

 

 

非线性光学晶体更是高新技术和现代军事技术中不可缺少的关键材料。激光武器、神光工程等高精尖装备中,都有非线性光学晶体的身影。尤其是在受控核聚变中的应用,KDP(磷酸二氢钾)类晶体成为目前唯一可用于惯性约束核聚变的非线性光学晶体,被李克强总理称为“国家的宝贝”。同时非线性光学晶体也“上天入地”,RTP(磷酸氧钛铷)电光晶体与器件作为关键核心元器件在美国“好奇”号火星探测车以及LIGO引力波探测系统中获得应用。

 

 

 

 KDP晶体(左)、神光工程靶室(中)、美国国家点火装置(右)

 

 

 

火星探测车(左)、LIGO引力波探测系统(右)

 

 

 

来源:长春中国光学科学技术馆

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