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1.非线性光学简介

非线性光学最早可以追溯到在1961 年, 美国密执安大学夫朗肯（Franken）等人利用红宝石产生的激光束进行了二次谐波产生的实验, 发现其光波频率恰好为原先红宝石激光束频率的两倍, 证实了倍频效应的存在, 这也宣告了非线性光学(Nonlinear optics，NLO)的诞生，非线性光学是现代光学的一个重要分支，主要是研究材料在强光作用下产生的各种非线性现象及其应用。通常光与光之间的相互作用是十分微弱的，但借助于材料电子的极化便可以产生极强的相互作用，即非线性光学过程。

什么是非线性光学材料？

非线性光学材料是指光学性质依赖于入射光强度的材料，非线性光学性质也被称为强光作用下的光学性质，主要因为这些性质只有在激光这样的强相干光作用下才表现出来。

当光强度较小时，材料的电极化强度与光频电场之间呈线性关系，其非线性关系可以被忽略；但是当光强度变得足够大时，如激光通过材料进行传播时电极化强度与光频电场之间的非线性关系变得十分显著而不能被忽略，需要用非线性光学理论来描述材料的响应。这种与光强有关的光学效应称为非线性光学效应，具有这种效应的材料称其为非线性光学材料。

Z扫描装置：

表征非线性折射率(n2)和非线性吸收系数(β)是研究非线性光学效应的重要手段

Z-扫描技术是一种广泛应用于定量分析三阶非线性光学现象的实验方法

2.非线性光学材料的种类

以下是一些常见的非线性光学材料：

1) 硅基非线性材料：硅是一种常见的非线性光学材料，包括二氧化硅（SiO₂）和硅光子芯片。硅光子芯片被广泛用于光通信和光计算应用中。

2) 锂离子（LiNbO₃）和锂钽酸钠（LiTaO₃）晶体：这些晶体具有较高的非线性系数，用于制造光调制器和频率倍增器等光学器件。

3) 非线性光纤：光纤中的非线性效应通常与玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensation）效应相关。非线性光纤在光通信和激光器中广泛使用。

4) 铌酸锂（LiNbO₃）波导器件：这些波导器件可以用于光调制、光开关和光波导放大器等应用。

5) 有机非线性光学材料：有机分子可以用于制造具有高非线性效应的材料，如二甲基亚甲基苯基锂（DMSO），二甲亚硝胺（DMNA），还有聚合物和共聚物，以及现在热门的MOF,COFs材料。

6) 铟砷化镓（InGaAs）：这是一种常见的半导体材料，用于制造光探测器和激光器，它们具有较高的非线性光学特性。

7) 硫化锌（ZnS）和硫化镉（CdS）纳米颗粒：这些纳米颗粒在量子点激光器和非线性光学应用中有用。

8) 非线性光学晶体：一些晶体，如β-硼酸钾（KDP），β-硼酸锂（LiB₃O₅，LBO），具有较高的非线性光学系数，用于频率倍增、光学调制等应用。

9) 金属纳米结构：金属纳米颗粒和纳米结构也可以用于非线性光学应用，如表面增强拉曼散射（SERS）和非线性光学显微镜。

这只是一些常见的非线性光学材料的示例，还有许多其他材料，具体的应用和性质会因材料的组成、结构和处理方式而异。在选择非线性光学材料时，需要考虑所需的非线性效应、波长范围、功率要求和应用领域等因素。

3.非线性光学效应的应用

光倍频

非线性光学材料在光电通讯、光学信息处理和集成电路等方面有重要的应用。利用谐波产生，参量振荡与放大，光混频等效应制造的诸如混频器、光开关、光信息存储器、光限制器等元件采用光子代替电子进行数据的采集、存储和加工，因为光子的开关速度可达到飞秒级，比电子过程快几个数量级，因此在光频下工作可大大增加信息处理的带宽，如光盘的信息存储容量就得到了极大的提高。

我们以大家目前最为关注的“芯片制造”为例。首先，我们需要了解，激光的波长越短，越能实现高精度的激光加工。卡着全球芯片制造业脖子的光刻机及其光刻技术，就要靠波长极短的紫外激光去实现。目前而言，波长小于14 nm的EUV极紫外激光，就是7 nm光刻机的核心光源，也是世界上唯一能够进行7 nm芯片加工的激光技术。BBO是“低温相偏硼酸钡”这一晶体材料的简称，属于非线性光学晶体。其非凡之处在于能够改变激光的输出频率或波长，将近红外激光（波长为1064nm）转变为绿光激光（波长532nm）紫外、极紫外激光（波长10nm-380nm）等。因而该类材料在光刻机中发挥着极为重要的作用。可以说，非线性光学晶体材料是光电子技术特别是激光技术的重要物质基础，在激光通讯、激光信息存储与处理，激光材料加工以及军用激光技术等众多领域都表现出极为重要的研究前景。

4.非线性光学研究领域

目前非线性光学的研究主要集中在两个方面:一是开拓新的理论，探究非线性光学效应的机理，为设计制造出性质优良的非线性光学新材料提供理论依据。二是新型优良的非线性光学材料的制备和应用，在这一领域已经有不少材料投入了实际应用。但是波段红移和非线性光学系数之间的矛盾，使得非线性光学材料的进一步优化遇到了极大的困难，这一问题的解决，必然会极大推动NLO材料的优化制备与实际应用，因而也成为非线性光学学科中迫切需要解决的焦点问题。