非线性光学晶体的国内外发展现状及趋势

2014-02-16 admin1 230

  非线性光学晶体是重要的光电信息功能材料之一,是光电子技术特别是激光技术的重要物质基础,其发展程度与激光技术的发展密切相关。

  非线性光学晶体材料可以用来进行激光频率转换,扩展激光的波长;用来调制激光的强度、相位;实现激光信号的全息存储、消除波前畴变的自泵浦相位共轭等等。所以,非线性光学晶体是高新技术和现代军事技术中不可缺少的关键材料,各发达国家都将其放在优先发展的位置,并作为一项重要战略措施列入各自的高技术发展计划中,给予高度重视和支持。

  伴随着激光技术从上世纪六十年代发展至今,非线性光学晶体也得到长足的发展,从最初的石英倍频晶体开始,不断涌现出铌酸锂(LiNbO3— LN)、磷酸二氢钾(KH2PO4—KDP)、磷酸二氘钾(KD2PO4—DKDP)、碘酸锂(LiIO3—LI)、磷酸氧钛钾(KTiOPO4— KTP)、偏硼酸钡(-BaB2O4—BBO)、三硼酸锂(LiB3O5—LBO)、铌酸钾(KNbO3—KN)、硼酸铯(CSB3O5—CBO)、硼酸铯锂(LiCSB6O10—CLBO)、氟硼酸钾铍(KBe2BO3F2—KBBF)以及硫银镓(AgGaS2—AGS)、砷镉锗(CdGeAs— CGA)、磷锗锌(ZnGeP2—ZGP)等非线性光学晶体,广泛应用于激光倍频、和频、差频、光参量放大以及电光调制、电光偏转等。比较有代表的例子是:用LN制作的光波导器件及调制器件,已广泛应用于光通讯;利用KTP晶体的商业内腔倍频YAG激光器,其绿光输出可达几百瓦;用CBO和频的YAG三倍频激光器,355nm输出已达17.7瓦;用CLBO四倍频的YAG激光器,266nm紫外光输出已达42瓦;用KBBF直接六倍频已获177.3nm 的深紫外激光;使用KTP、BBO、LBO的光参量振荡器,其调谐范围覆盖了可见光到4.5m波段,并实现单纵模运转。

  就非线性光学晶体、器件及应用整个领域的科技水平来看,发达国家如美国、英国等居于世界前列,从最初的原理提出、新材料的探索、器件的开发,他们都作出了重要的贡献。在非线性晶体材料的生产上,日本、中国、和前苏联的一些国家如俄罗斯、乌克兰、立陶宛等,占有重要的地位,而美国和欧洲一些国家则主要侧重于非线性晶体器件及设备的制造。我国在非线性光学晶体领域占有重要的地位。

  一、中国在本领域的世界地位

  我国无论在非线性光学晶体的学术研究还是产业化方面,都在国际上有着重要的影响,特别是在可见、紫外波段非线性晶体的研究方面一直处于领先水平,受到世界瞩目。我国在非线性晶体领域最主要的成就是(1)发明了掺镁LiNbO3晶体,通过掺杂使得LiNbO3的抗损伤阈值提高了两个数量级以上,大大开拓了铌酸锂晶体的应用领域;(2)在硼酸盐系列中发现并研制出-BBO、LBO、CBO、KBBF等一系列性能优异的紫外非线性光学晶体,开创了紫外激光倍频的新纪元,使得人类不断向固体紫外激光的极限推进;(3)首次在国际上用溶剂法生长出可实际应用的KTP大单晶,并实现产业化,使KTP晶体在全世界得到普遍的应用,促进了激光技术的发展。(4)主导了周期、准周期极化人工微结构非线性光学晶体材料的研究和实验验证,开拓了非线性光学晶体的新领域。

  我国多种非线性光学晶体的生长技术居国际先进水平,国外已有的所有晶体生长方法我国都有,几乎所有重要的非线性光学晶体都已生长出来,一些重要晶体满足了国内重大工程需求,一批高技术晶体已成为商品,在国际上享有盛誉。

  二、市场需求分析

  非线性光学晶体材料是一个和激光、光电子、光通信等产业密切相关的相当确定的产业,受这些产业的发展和变化的影响非常大。随着上世纪末全世界信息化浪潮的迅猛发展和光电子技术的广泛采用,国内外对光电功能晶体尤其是非线性光学晶体的市场需求剧增。

  近年来全世界的非线性光学晶体的销售额每年超过4亿美元,传统的非线性晶体的需求量仍在逐年增大,今后几年市场增长率在1530%左右。

  非线性光学元件在调制开关与远程通讯、信息处理和娱乐等三个领域表现出了加速发展的趋势。

  主要的商业化非线性光学晶体有铌酸锂(LiNbO3)、磷酸钛氧钾(KTP)、-偏硼酸钡(BBO)、三硼酸锂(LBO)、磷酸二氢钾(KDP)、磷酸二氘钾(DKDP)等,其中LiNbO3是市场最大的非线性光学晶体,光通讯和工业激光是它最重要的两个应用领域。光通讯行业的持续发展使得应用于光通信调幅器的LiNbO3晶体不仅占据了绝大部分的市场,而且市场份额每年都在增长。

  除光通信外,工业激光、电光是非线性光学晶体应用的重要市场,近几年一直保持着每年1520%的市场增长,其中BBO、KTP晶体是本领域近几年增长最快的晶体品种,市场前景看好。

  医用固体激光器领域是非线性光学晶体的另一个重要市场,主要应用的是KTP、KDP和BBO晶体,CLBO也将会得到大量应用。由于医疗行业激光器的快速发展,带动KTP等非线性光学晶体的需求量也迅速增长。

  据市场调查企业美国BCC(BusinessCommunicationsCompany,Inc)研究公司的最新报告,2005年非线性光学晶体全球市场规模达到8亿5610万美元,预计未来将以17.1%的年平均增长率扩大至2009年的16亿5600万美元左右。其中用于光通讯的 LiNbO3在2005年占非线性光学晶体材料的市场份额为24.5%,2009年预计为29.6%。用于激光和电光领域的KTP、KDP、DKDP、 BBO、CLBO、LBO等晶体在2005年占非线性光学晶体材料的市场份额为18.5%,KTP晶体预计的AAGR(年平均增长率)为5.4%,其它晶体的AAGR总共为8%。

  主要非线性光学晶体材料全球销售额,单位:百万美元

  晶体类型20032004200520062009AAGR%

  2005-2009

  LiNbO317020023027552522.9

  KTP303550557510.7

  KDP,DKDP,BBO,

  CLBO,LBO,ZGP455070801019.6

  资料来源:BBCInc。2009为预测值。

  从整个非线性光学晶体材料、器件及整机设备来看,美国、日本等发达国家是产业大国,在大规模生产的非线性光学晶体如LiNbO3占有垄断地位。小规模的材料品种如KTP、BBO、LBO等,主要是中国、立陶宛等占具优势地位。在器件制造方面,由于整体技术力量强,工业基础好,美、欧等发达国家占有决定性的优势地位。中国等发达中国家则只能给发达国家提供晶体材料,赚取少许利润。

  三、发展趋势

  1)紫外向更短波段的发展

  发展全固态深紫外(200nm)相干光源,是目前国际光电子领域最前沿的研究项目之一,这是因为紫外激光在许多高技术领域有着十分重要的应用,如新一代的集成电路光刻技术需要全固态的紫外相干光源;光电子能谱、光谱技术中,迫切需要可调谐的全固态深紫外相干光源,这对于推动深紫外光谱、能谱仪的发展将起到关键性的作用,并将开辟一个新的物质科学研究领域;深紫外相干光源还将极大地推动激光精密机械加工业的发展。由于目前还没有直接输出深紫外波长的激光晶体问世,解决固态深紫外激光光源的关键问题集中在紫外波段的NLO变频晶体的研制和应用开发,其带动相关工业发展和技术进步的前景是十分诱人的。

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