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三阶非线性光学玻璃研究概况

导读: 非线性光学玻璃由于与现有的光纤系统具有相容性和较快的响应速度,因而引起人们的极大兴趣。目前的研究工作集中于各种不同的玻璃系统,利用不同的非线性机制来提高非线性性能。

  非线性光学玻璃由于与现有的光纤系统具有相容性和较快的响应速度,因而引起人们的极大兴趣。目前的研究工作集中于各种不同的玻璃系统,利用不同的非线性机制来提高非线性性能。由于光频随材料中电子的转移或跃迁会表现出共振和非共振两种情况,故三阶非线性光学玻璃材料也可分为共振型和非共振型两类。

  1、非共振型

  虽然均质玻璃的值较低,但由于其具有较小的吸收系数和较短的响应时间而使其品质因数较高而格外引人注目。其中为非线性折射率,为响应时间或1皮秒(取其长者),是线性吸收系数。

  在所有均质玻璃中,都或多或少存在三阶非线性光学效应。通常具有高密度﹑高线性折射率的玻璃具有较高的非线性极化率。要获得高密度﹑高折射率玻璃的方法是向玻璃中添加具有高折射度的调整体或引入易极化的重金属氧化物,如PbO﹑Bi2O3﹑Nb2O3﹑TeO2、R2O3(R=La,Pr,Nd,Sm)等,或引入重金属卤化物,如KX(X=Cl,Br,I)、PbCl2等。硫系玻璃通常具有相对较大的三阶非线性极化率,最大值As-S-Se为1.4×10-11esu,差不多是SiO2玻璃的500倍。然而由于硫系玻璃的本征吸收最小值位于4~6mm,在1.06mm波长测得的有相当部分属于共振吸收分量,且通讯领域主要使用1.31和1.55mm两个窗口作为通信通道,而使其全光开关应用受到限制。但最近研究表明,重金属卤化物的引入会使硫系玻璃透射区同时向长波和短波方向扩展,如GeS2-Ga2S3-KX(X=Cl,Br)系光透过范围在0.45~11.5mm之间,且透过率高达80%以上(4mm样品),由于重金属卤化物具有大的极化率,硫系玻璃引入卤化物会增加玻璃结构的堆积密度,从而使玻璃具有很好的三阶非线性光学性能,而使新型硫卤玻璃成为全光开关的最佳候选材料之一。另外在氧化物玻璃中,Bi2O3基玻璃和碲酸盐玻璃的三阶非线性极化率较高,由于其本征吸收最小值靠近通信信道波长,也被认为是全光开关的最佳候选材料之一。

  为了在长的作用范围保持高功率密度,波导结构予以考虑,光波导结构以低维形状(纤维或薄膜)出现,并使集成化而将成为全光开关、光放大器等光子器件的物质基础。据报道,日本科学家Asobe等人在1.5mm波长处已实现了100GHZ信号处理的响应时间小于5皮秒的As2S3单模光纤应用于光学克尔开关,光纤长度约1m。一个最常见的利用硫系玻璃光纤的光学转换开关是非线性光学迴路镜,它是利用改变非线性光学折射率的原理来产生两个光波间的干涉,能很好的减小全光开关的转换功率。为了更好的减小开关功率损耗,应用啁啾光栅作为群速度色散补偿技术一直是科学家们努力的方向。然而在未来光信号的高比特率处理﹑大规模光路的集成化等发展趋势上,光纤仍有诸多不足之处。许多科学家也在努力探索用半导体制成的以微小集成电路块为基础的器件来取代非线性光学迴路镜中的长光纤部分,但其主要缺陷是响应速度不是很快。

  另外对一些低值的玻璃,如氟化物玻璃,其在非线性应用方面(如激光玻璃)颇有吸引力。在高能激光系统中,强光束通过介质传播引起折射率变化,产生光束自聚焦(<0)或自散焦(>0),在这种情况下要求介质具有小的值。

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