1、实验十三 材料非线性光学性能测试一、实验目的1. 了解非线性光学效应的基本概念2. 掌握 Maber 条纹法测试材料非线性光学效应的基本原理二、实验原理所谓非线性光学效应是指，当强光通过介质时，波的线性叠加原理不在成立，这种强光光学效应便被称为非线性光学效应。非线性光学材料是指在强光作用下能产生非线性效应的一类光学介质。在宏观理论中，不涉及介质的单个原子（分子、离子）的极化性质，而是引入一个新的宏观物理量介质的极化强度矢量 P，并假设 P 与入射光波场 E 成简单的线性关系，即 ：P 0XE，其中 X 称为极化系数（极化率） ， 0 称为真空介电常数。理论和实验都证明，当 E 较小时，P 0X
2、E 的关系与实验符合得很好，但当 E 很大时，P、E 就偏离线性关系，而呈现出一种非线性关系 P=f(E)。这种非线性关系一般无法用显函数形式表示出来，通常都把它们展成 E 的幂极数形式，即：P= 0 (X E+X EE+X EEE+ )，其中 X 为原来的线性极化系数，X 、X )1)2()3( )1( )2()3(均为非线性极化系数，称为二阶、三阶非线性极化系数，分别对应于 SHG 等二阶非线性光学效应。普通光是一种弱光，它所能提供的光波场强与原子内部场强相比很小，因此极化强度公式中除了第一项外，其余项可忽略，与此相应，如果采用量子理论，则把入射光视为极弱的微扰，而取一级近似就可以了。而激
3、光与物质的相互作用，属于强光与物质的相互作用，激光所产生的光波场强可达到与原子内部场强相比拟的程度。此时电极化强度公式中的非线性项已不能忽略，必须视具体情况，保留至二次项或三次项。在采用量子理论处理时，一般均需考虑二阶以上的微扰。这些非线性项正是产生各种非线性光学现象的根源。1962 年 ， Maker 等 人 在 不 能 实 现 相 位 匹 配 的 倍 频 效 应 实 验 中 ， 发 现 倍 频 光 强 度 随着 样 品 转 动 而 出 现 近 于 周 期 性 的 条 纹 ， 并 称 为 Maker 条 纹 。 通 过 对 这 些 条 纹 的 分 析 ，可 以 测 定 材 料 的 非 线 性
4、 光 学 系 数 。 1970 年 J.Jerphagnon 和 S.K.Kurtz 重 新 推 导 了倍 频 光 功 率 随 转 角 而 变 化 的 Maker 公 式 ， 即PRcdTRPnlil c220422251 1 si其 中 ， R0 表 示 激 光 束 束 斑 大 小 ； T()和 T2()分 别 为 基 频 光 和 倍 频 光 的 透 射 因 子 ；R()为 反 射 修 正 因 子 ； p ()为 投 影 因 子 ； ()为 相 干 长 度 ； 为 入 射 角 。 连 接lc(即 P2的 诸 峰 值 )的 曲 线 就 是 Maker 条 纹 的 包 迹 ， 可 以 得 到 在
5、 =0 点sinlc21是 的 包 迹 的 最 大 值 。 如 选 石 英 晶 体 作 为 参 考 ， 则 待 测 样 品 的 非 线 性 光 学 系 数 的 相 对 值(其 中 表 示 石 英 晶 体 的 非 线 性 系 数 )为drilq1dq1lIfnrcqmq2220,其 中fnnnR,2323210lc042由 此 可 见 ， 只 要 测 得 Maker 条 纹 包 络 极 大 值 和 相 干 长 度 ， 并 将 有 关 折 射Imlc0率 ， 等 代 入 式 (312)式 中 ， 即 可 得 到 ， 从 而 求 得 值 。n2 drdil由于玻璃在宏观上各向同性，而具有反演对称中心
6、的介质，偶阶非线性电极化率应为零,不具有二阶非线性极化率（ 0） ，即在理论上玻璃中是不会出现二阶非线性光学)2(效应的, 因此在较长时间内被认为不会产生二阶非线性效应，只有压电和铁电晶体才会出现这种效应。1986 年，Osterberg 和 Margulis 在强激光诱导的掺 Ge 和 P 的石英单模光纤中首次发现了异乎寻常的倍频现象，加之玻璃具有在大部分波段透明、较好的化学稳定性和热稳定性、较高的光损伤阈值、较高的非线性光学系数、较快的光响应时间、易于成纤成膜、易于机械光学加工等优点，而使其作为一类新型的二阶非线性光学材料具有重要的学术价值和潜在的应用前景，受到研究者的普遍关注，掀起了国内
7、外学者的研究热潮。目前，主要有三种方法用以在玻璃中产生 SHG 效应：激光诱导极化、电场/温度场极化法和电子束辐射极化。实验中将进行石英晶体和玻璃材料的二阶非线性光学效应的测试。非线性光学材料的应用非线性光学效应的应用主要是以下两个方面：一是进行光波频率的转换，即通过倍频、和频、差频或混频，以及通过光学参量振荡等方式，拓宽激光波长的范围，以开辟新的激光光源。二是进行光信号处理，如进行控制、开关、偏转、放大、计算、存储等。下表具体例出了不同阶非线性光学效应及其用途。各种非线性光学效应及其应用阶 数 效 应 应 用1 （1） 折射率 光纤、光波导1 （2） 二次谐波产生光整流光混频参量放大Pock
8、el 效应倍频器杂化双稳器紫外激光器红外激光器电光激光器1 （3） 三次谐波发生直流二次谐波发生Kerr 效应光学双稳态光混频三倍频器分子非线性电极化率测定超高速光开关光学存储器、光学运算元件拉蔓分光三、实验内容（一）仪器本 实 验 主 要 测 试 材 料 的 二 阶 非 线 性 光 学 效 应 （SHG：Second-harmonic Generation ） ，SHG 性 能 测 试 是 在 武 汉 理 工 大 学 大 学 硅 酸 盐 材 料 工 程 教 育 部 重 点 实 验 室 的 非 线 性 光 学性 能 测 试 仪 上 进 行 测 试 的 ， 实 验 装 置 如 图 所 示 。光学
9、二次谐波强度测试的设备框图，各数字所代表的仪器如下所示：1. Nd:YAG 激光器；2.滤波器；3.光阑；4.偏振片；5.样品台；6.棱镜；7.红外镜截止滤光片；9.透镜；10.532nm 单色仪；11.光电倍增管；12.样品旋转控制器；13.计算机；14: Boxcar 积分器其 中 ， Nd:YAG 脉 冲 激 光 器 作 为 光 源 输 出 基 频 光 ， 其 输 出 的 基 频 光 波 长 为1064m， 脉 冲 宽 度 为 10ns， 光 束 直 径 为 1mm。 基 频 光 作 为 入 射 光 通 过 极 化 样 品 后 ，产 生 二 次 谐 波 ， 然 后 通 过 红外镜截止滤光
10、片将 基 频 光 和 倍 频 光 分 离 开 ， 以 配 有 光 电 倍增 器 的 单 色 仪 探 测 谐 波 信 号 的 大 小 ， 最 后 经 过 盒 式 激 光 光 度 计 积 分 器 ， 用 记 录 仪 自 动记 录 。 基 频 光 入 射 角 的 大 小 范 围 为 50 50。 入 射 基 频 光 和 最 后 探 测 到 的 倍 频光 的 偏 振 方 向 均 为 p， 即 平 行 于 入 射 面 (由 玻 璃 表 面 法 线 方 向 和 基 频 光 入 射 方 向 决 定的 一 个 平 面 )。 另 外 ， 在 如 上 所 述 同 样 条 件 下 测 定 了 石 英 晶 片 的 S
11、HG 作 为 计 算 材料的 二 阶 非 线 性 光 学 系 数 的 参 考 标 准 。(二) 非线性光学性能测试仪操作步骤(1)将样品置于样品室，接通激光器，Boxcar 示波器电源。(2)启动激光器冷却水源，调整激光发射旋纽于合适位置，调整激光能量于合适值。(3)调整样品室中的样品位置，使之与入射光所成的角度满足测试需要。(4)接通步进电机电源，归零后，设置运行速度与运行距离。(5)接通高压稳压电源，设置电压值。(6)开启电脑，进入程序中的 Sr272 菜单，在设置中设置参数，同时调速。Box-car Sr250 的 Dolay 值，使之与程序中的数值相一致。(7)按下步进电机的 RVN 按纽，同时电脑进行数据采集。(8)测试结束后，关闭高压稳压电源，取出样品，调整激光器能量旋纽至最小值 ，关闭激光器的冷却水泵，切断示波器。Box-car 步进电机电源。(9)数据处理及整理。四、思考题1. 检测材料二阶非线性的 Maber 条纹法的基本原理。2. 玻璃经过那些处理后会产生二阶非线性效应。
