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責任與文化

小料科普 | 多彩的人工晶體系列——非線性光學晶體

來源:中材高新  發布時間:2020-08-10

一支普通的激光筆,內部的激光器原本發出的是人眼看不見的紅外線,但在穿過前端的一塊米粒大小的晶體之后,立刻就變成了鮮艷的綠色!這個能改變激光顏色的神奇小東西,就是今天要介紹的非線性光學晶體。

什么是非線性光學晶體

    說起非線性光學晶體,就離不開激光,人們就會想起好萊塢的科幻電影《星球大戰》中的激光劍。

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《星球大戰》電影中的激光武器劇照  

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第一臺紅寶石激光器(左)和非線性光學首次試驗(右)    

1960 年,世界上第一臺紅寶石(Cr3+:Al2O3)激光器誕生。1961年,Franken等首次發現激光通過石英晶體時會產生倍頻現象,隨后科學家們又陸續發現激光在通過某些特定晶體時會產生倍頻、和頻、差頻、混頻與光參量振蕩等光學變頻現象,這些晶體被稱為非線性光學晶體。

非線性光學晶體的變頻,簡單地說就是改變激光波長、其中最常用的變頻是使輸出激光的頻率是輸入激光的倍數關系。改變激光的波長,對我們人的眼睛來說,就是改變了激光的顏色。

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非線性光學晶體激光變頻過程示意圖

非線性光學晶體的應用

非線性光學晶體是重要的光電信息功能材料之一,種類多達百種,其發展程度與激光技術的發展密切相關。激光光源的波長拓展很大程度上依賴于非線性光學晶體的變頻能力,是獲得不同波段(不同顏色)激光的物質基礎和源頭,在激光存儲、激光通信、激光醫療、半導體微加工、光通訊、激光加工、全息攝影、激光核聚變、激光武器等領域應用廣泛。

非線性光學晶體的應用是“上得了廳堂,下得了廚房”,已經成為人類現代生活的重要組成部分,驚艷炫酷的舞臺激光、五彩奪目的激光音樂噴泉、講座和作報告用的綠光激光指示筆......無處不在。

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綠光激光指示筆(左)   激光舞臺表演(右)

非線性光學晶體更是高新技術和現代軍事技術中不可缺少的關鍵材料。激光武器、神光工程和美國國家點火裝置等高精尖裝備中,都有非線性光學晶體的身影。尤其是在受控核聚變中的應用,KDP(磷酸二氫鉀)類晶體成為目前唯一可用于慣性約束核聚變的非線性光學晶體,被李克強總理稱為“國家的寶貝”。同時非線性光學晶體也“上天入地”,RTP(磷酸氧鈦銣)電光晶體與器件作為關鍵核心元器件在美國“好奇”號火星探測車以及LIGO引力波探測系統中獲得應用。

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KDP晶體(左)神光工程靶室(中)美國國家點火裝置(右)

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火星探測車(左)    LIGO引力波探測系統(右)

人工晶體院非線性光學晶體

中國建材集團所屬中材人工晶體研究院從上世紀80年代初開始從事激光與非線性光學晶體的研制,是國內最早研發的單位之一,在老一輩科學家中國工程院院士沈德忠教授、國家級專家黃朝恩教授的帶領下,KN(鈮酸鉀)、LBO(三硼酸鋰)、KTP(磷酸氧鈦鉀)非線性光學晶體取得了具有國際領先水平的開拓性成果,為我國在世界人工晶體領域占有一席之地作出了貢獻。其中,“鈮酸鉀晶體的研制”獲1988年國家科技進步一等獎;“大尺寸高質量非線性光學晶體三硼酸鋰(LBO)的生長技術”1991年獲獲國家科技進步一等獎;“頂部籽晶熔劑法生長KTP晶體技術”獲2001年杜邦科技創新獎;“大尺寸新型電光晶體KTP的制備技術”獲2002年國家科技進步二等獎。

沈德忠院士先后生長出KN、KTP等十多種晶體,成功地解決KN晶體生長過程中的賦色、開裂以及晶體應用過程中的定向、極化等一系列難題,首次在摻鐵KN單晶上實現了室溫自泵浦相位共軛。KTP晶體由上個世紀70年代美國杜邦公司研發,美國政府把KTP晶體作為高度保密的高科技產品,一塊3×3×5mm3的KTP晶體倍頻器售價2750美元,而且對我國實行嚴格的技術封鎖和禁運。為給中國人爭氣,打破禁運,首次用改進的助熔劑法研制成功可用于實際倍頻的大尺寸、高光學質量KTP單晶,不但打破了美國對該晶體的壟斷和對我國的禁運,后經原國家科委同意向美國杜邦公司出售大Z切面的KTP晶片,為此1988年杜邦公司資助9萬美元開展進一步研究,不但賺取了數百萬美元的外匯,而且極大地提高了我國在國際晶體生長界的聲譽。

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晶體院承擔了包括國家自然科學基金重點項目、國家高技術產業化項目、中關村園區產業發展專項資金項目、北京市科技計劃等一大批重要研究課題提供了關鍵的非線性晶體器件。

“雄關漫道真如鐵,而今邁步從頭越”。進入新時代,晶體院非線性光學晶體與器件以面向激光技術、量子信息科學等領域國家重大戰略和服務高科技發展需求應用為主線,超大尺寸CLBO(硼酸銫鋰)晶體生長與器件研制水平國際領先,引領發展,為國家重大工程“神光工程”提供器件支撐。RTP(磷酸氧鈦銣)電光晶體與器件實現無人機、直升機等激光測距系統應用 “進口替代“,并推進工程化、規?;?,改變量子信息光學用高亮度糾纏光源用PPKTP(周期極化磷酸氧鈦鉀)晶體全部依賴進口,受制于人的局面,保持和發展非線性光學晶體與器件在國內外知名度和影響力。

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