gan 非线性光学效应研究进展new

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1、第25卷第4期物理学进展Vol.25,No.42005年12月PROGRESSINPHYSICSDec.,2005文章编号:100020542(2005)0420430211GaN非线性光学效应研究进展陈平,王启明(中国科学院半导体研究所,集成光电子国家重点联合实验室,北京100083)摘要:本文简述了对非线性光学材料的一般要求,详细介绍了GaN材料的极化效应,以及因此而具有的良好非线性光学效应。以波长转换为例说明了它在未来全光网络中的应用前景。关键词:非线性光学材料,GaN,非线性光学效应,全光波长转换中图分类

2、号:O472.3文献标识码:A0引言非线性光学是随着激光技术的出现而发展形成的一门学科分支,是近代科学前沿最为活跃的学科领域之一。数十年间,非线性光学在基本原理、新型材料的研究、新效应的发现与应用方面都得到了巨大的发展,成为光学学科中最活跃和最重要的分支学科之一。1960年Maiman制成了世界上第一台红宝石激光器,人们对于光学的认识发生了重大变化。在高强度的激光作用到介质体系时,人们在大量的不同材料中都观察到与常见光学效应截然不同的现象,如介质的折射率和吸收系数会随光电场强度的变化而变化,这些新现象需要用非线性

3、光学的基本原理予以解释。自上个世纪60年代至今,非线性光学不断发展,一些重要的非线性光学效应相继被发现,新型的非线性光学晶体材料的试制成功,皮秒激光器件的广泛使用以及飞秒激光器的研究,使得利用超快脉冲进行非线性光学的研究得到重大推进,取得许多新的科研成果。非线性光学的应用离不开非线性光学(NLO)材料,它能实现光波频率转换,这种能力为实现全光学计算、开关和远距离通信提供了可能。1非线性光学的基本原理光与物质相互作用的本质是物质的原子或分子体系在入射光波电场的作用下产生了感生收稿日期:2005210231基金项目:

4、重点基金项目NO.60336010的资助4期陈平等:GaN非线性光学效应研究进展431电偶极矩,并进而辐射电磁波。在线性光学的范畴内,人们采用电极化强度P(t)来解释所观察到的介质中的吸收、折射及色散等现象。当一个光场入射到介质体系中时,由于介质体系是由大量的多种电荷粒子,如电子、原子实及离子等构成,它们在外光(电)场的作用下会发生位移,这就会在介质中产生感应的极化强度。一般来讲,这种感应的电极化强度是空间位置和时间的函数P(r,t),它正比于入射光的电场强度E(r,t):(1)P(r,t)=ε0χ·E(r,t)

5、(1)(1)(1)其中ε0是真空介电常数,χ是介质的线性极化率。通常情况下χ是复数张量。式(1)只适用于光场较弱的情况。当光场较强时,物质的原子或分子内电子的运动除线性振动外还受到偏离线性的附加扰动,极化响应与光电场存在非线性关系,这就是物质的非线性极化。此时光电场所感应的电极化强度与入射光电场强度的关系式中必须计及光波电场强[1]度的高次幂项,即:(1)(2)(3)P(r,t)=ε0χ·E+ε0χ:EE+ε0χEEE+···(2)在(2)式中,右边第一项即是线性电极化强度项,而第二项和第三项以及更高次幂项,即是

6、非线性光学效应的基本渊源。物质的非线性光学效应是在强光场或其他外加场的扰动下,非线性极化引起材料光学性质的变化,导致不同频率光波之间的能量耦合,从而使得入射光波的频率,振幅,偏振及传播方向发生改变。其中二次非线性极化可以产生二次谐波,和频,差频和光波整流等过程;三次非线性极化可以产生三次谐波,光波混频,受激散射和光学克尔效应[2]等现象。Bloembergen给非线性光学效应的定义作了如下论述:物质对于外加电磁场的响应,如果不是外加电磁场振幅的线性函数,则均属于非线性光学效应的范畴。[3]光学二次谐波产生(SHG

7、),是激光出现后第一个被发现的非线性光学效应。在第一个光倍频实验中由于采用非线性光学性能较差的石英晶体,倍频效率很低,但是Armstrong等人[3]的工作开拓了一个新的领域,至今光倍频仍然是最有实际应用价值的一个非线性光学效应。在小信号近似下,倍频光强与基频光强的平方成正比,这是二阶非线性效应最基本的特点。光倍频还与相位匹配条件有关,如果两束光之间的相互作用满足相位匹配条件,又有一定(2)的相互作用长度,则可以实现较高的倍频转换效率。二阶非线性极化率χ是表征SHG的一(3)个重要参数;而三阶非线性极化率χ则是三

8、次谐波产生(THG)的一个重要参数。非线性折射率是另外一个很重要的非线性效应参数。当线偏振光(ω)通过有电场作用的玻璃时,变为椭圆偏振光,这表明玻璃在外加电场的作用下,由原来的各向同性变成了光学上的各向异性,外加电场感应了线性双折射,并且折射率的变化与外加电场的平方成正比,这就是电光Kerr效应。如果用另一个光波电场(ω′)来代替外加电场,同样通过三阶非线性效应在频率ω′