[发明专利]非线性光学方法和结构

说明书

相关申请交叉引用

本申请要求2008年6月16日提交的标题为“Method and Structure for Nonlinear Optics”的美国专利申请12/140,162的优先权，该美国专利申请根据35U.S.C.$119(e)要求2008年4月11日提交的标题为“Method and Structure for Nonlinear Optics”的美国临时专利申请61/044,413的优先权，以上专利申请的公开内容为所有目的通过引用全文并入本文。

发明背景

本发明一般性涉及具有光学性能的特定化合物。更具体而言，例如，本发明的一个实施方案提供了一种用于紫外、可见和红外电磁辐射应用的特定化合物，其包括R_iLa_jAl_kB₁₆O₄₈，其中2.0≤i≤3.6，0.4≤j≤2.0，i和j之和为约4，k为约12，R为选自Y和Lu的元素。更具体而言，另一实施方案提供一种用于紫外、可见和红外电磁辐射应用的化合物，其包括Y_iLa_jAl_kB₁₆O₄₈，其中2.8≤i≤3.2，0.8≤j≤1.2，i和j之和为约4，k为约12。仅仅作为举例，该化合物可用于波长175-360nm的电磁辐射，但应认识到本发明具有更广阔的应用范围。

非线性光学(NLO)材料不寻常之处在于其影响光的特性。一个公知的例子是特定材料引起的光的偏振，例如材料使得入射光的偏振矢量旋转。如果入射光对偏振矢量的影响是线性的，那么材料所发出的光具有与入射光相同的频率。非线性光学材料以非线性方式影响入射光的偏振矢量。结果，非线性光学材料所发出的光的频率受到影响，这也称为变频/变频器。

例如，当特定频率的相干光束，例如激光产生的相干光束，传播通过适当定向的具有非零的二价极化率张量分量的非线性光学晶体时，该晶体会产生不同频率的光，从而延展了激光的使用频率范围。这种光的产生可以归因于诸如和频产生(SFG)，差频产生(DFG)和光参量放大(OPA)的过程。采用非线性光学晶体的装置包括但不限于：上下变频器、光参量振荡器、光学整流器和光学开关。

在非线性光学材料中的频率产生是一个重要的作用。例如，两个频率为ω₁和ω₂的单色电磁波传播通过适当定向的非线性光学晶体可导致产生不同频率的光。利用这两个不同频率来限定光频率的机理是和频产生(SFG)和差频产生(DFG)。SFG是光频率ω₃作为两个入射频率之和产生的过程，其中ω₃＝ω₁+ω₂。换言之，SFG用于将长波长的光转换成波长较短的光(如近红外转换至可见光，或可见光转换至紫外线)。和频产生的一个特殊情况是二次谐波产生(SHG)，其中ω₃＝2ω₁，这在入射频率相等即ω₁＝ω₂时得到满足。DFG是光频率ω₄作为入射频率之差产生的过程，其中ω₄＝ω₁-ω₂。DFG用于将波长较短的光转换成波长更长的光(如可见光转换至红外线)。DFG的一个特殊情况是，当ω₁＝ω₂，因此ω₄＝0，这已知为光学整流。光参量振荡(OPO)也是DFG的一种形式，用于产生可调频率的光。

用于特定应用的非线性光学晶体的转换效率取决于许多因素，包括但不限于：晶体的有效非线性度(pm/V)、双折射(Δn，其中n是折射率)、相位匹配条件(I类、II类、非临界、准、或临界相位匹配)、接收角(弧度-cm)、接收温度(K-cm)、走离角(弧度)、温度随折射率的变化(dn/dT)、光学透明度范围(nm)、光损伤阈值(W/cm²)和光学寿命。期望的非线性光学晶体具有如特定应用所限定的上述性质的最佳组合。