非線性光�(xué)晶體的國(guó)�(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨�(shì)
非線性光�(xué)晶體是重要的光電信息功能材料之一,是光電子技�(shù)特別是激光技�(shù)的重要物�(zhì)基礎(chǔ),其�(fā)展程度與激光技�(shù)的發(fā)展密切相�(guān)。非線性光�(xué)晶體材料可以用來(lái)�(jìn)行激光頻率轉(zhuǎn)�,擴(kuò)展激光的波長(zhǎng);用來(lái)�(diào)制激光的�(qiáng)�、相�;�(shí)�(xiàn)激光信�(hào)的全息存�(chǔ)、消除波前疇變的自泵浦相位共軛等等。所�,非線性光�(xué)晶體是高新技�(shù)和現(xiàn)代軍事技�(shù)中不可缺少的�(guān)鍵材�,各�(fā)�(dá)�(guó)家都將其放在�(yōu)先發(fā)展的位置,并作為一�(xiàng)重要�(zhàn)略措施列入各自的高技�(shù)�(fā)展計(jì)劃中,給予高度重視和支持�
伴隨著激光技�(shù)從上世紀(jì)六十年代�(fā)展至�,非線性光�(xué)晶體也得到長(zhǎng)足的�(fā)�,從最初的石英倍頻晶體�(kāi)�,不斷涌�(xiàn)出鈮酸鋰(LiNbO3—LN)、磷酸二氫鉀(KH2PO4—KDP)、磷酸二氘鉀(KD2PO4—DKDP)、碘酸鋰(LiIO3—LI)、磷酸氧鈦鉀(KTiOPO4—KTP)、偏硼酸�(-BaB2O4—BBO)、三硼酸�(LiB3O5—LBO)、鈮酸鉀(KNbO3—KN)、硼酸銫(CSB3O5—CBO)、硼酸銫�(LiCSB6O10—CLBO)、氟硼酸鉀�(KBe2BO3F2—KBBF)以及硫銀�(AgGaS2—AGS)、砷鎘鍺(CdGeAs—CGA)、磷鍺鋅(ZnGeP2—ZGP)等非線性光�(xué)晶體,廣泛應(yīng)用于激光倍頻、和�、差頻、光參量放大以及電光�(diào)�、電光偏�(zhuǎn)�。比較有代表的例子是:用LN制作的光波導(dǎo)器件及調(diào)制器�,已廣泛�(yīng)用于光通訊;利用KTP晶體的商�(yè)�(nèi)腔倍頻YAG激光器,其綠光輸出可達(dá)幾百�;用CBO和頻的YAG三倍頻激光器�355nm輸出已達(dá)17.7�;用CLBO四倍頻的YAG激光器�266nm紫外光輸出已�(dá)42�;用KBBF直接六倍頻已獲177.3nm的深紫外激�;使用KTP、BBO、LBO的光參量振蕩�,其�(diào)諧范圍覆蓋了可見(jiàn)光到4.5m波段,并�(shí)�(xiàn)單縱模運(yùn)�(zhuǎn)�
就非線性光�(xué)晶體、器件及�(yīng)用整�(gè)�(lǐng)域的科技水平�(lái)�,發(fā)�(dá)�(guó)家如美國(guó)、英�(guó)等居于世界前列,從最初的原理提出、新材料的探�、器件的�(kāi)�(fā),他們都作出了重要的貢獻(xiàn)。在非線性晶體材料的生產(chǎn)上,日本、中�(guó)、和前蘇�(lián)的一些國(guó)家如俄羅斯、烏克蘭、立陶宛等,占有重要的地�,而美�(guó)和歐洲一些國(guó)家則主要�(cè)重于非線性晶體器件及�(shè)備的制造。我�(guó)在非線性光�(xué)晶體�(lǐng)域占有重要的地位�
一、中�(guó)在本�(lǐng)域的世界地位
我國(guó)�(wú)論在非線性光�(xué)晶體的學(xué)�(shù)研究還是�(chǎn)�(yè)化方�,都在國(guó)際上有著重要的影�,特別是在可�(jiàn)、紫外波段非線性晶體的研究方面一直處于領(lǐng)先水平,受到世界矚目。我�(guó)在非線性晶體領(lǐng)域最主要的成就是(1)�(fā)明了摻鎂LiNbO3晶體,通過(guò)摻雜使得LiNbO3的抗損傷閾值提高了兩�(gè)�(shù)量級(jí)以上,大大開(kāi)拓了鈮酸鋰晶體的�(yīng)用領(lǐng)�;(2)在硼酸鹽系列中發(fā)�(xiàn)并研制出-BBO、LBO、CBO、KBBF等一系列性能�(yōu)異的紫外非線性光�(xué)晶體,開(kāi)�(chuàng)了紫外激光倍頻的新紀(jì)�,使得人類不斷向固體紫外激光的極限推�(jìn);(3)首次在國(guó)際上用溶劑法生長(zhǎng)出可�(shí)際應(yīng)用的KTP大單�,并�(shí)�(xiàn)�(chǎn)�(yè)�,使KTP晶體在全世界得到普遍的應(yīng)用,促�(jìn)了激光技�(shù)的發(fā)��(4)主導(dǎo)了周期、準(zhǔn)周期極化人工微結(jié)�(gòu)非線性光�(xué)晶體材料的研究和�(shí)�(yàn)�(yàn)�,開(kāi)拓了非線性光�(xué)晶體的新�(lǐng)��
我國(guó)多種非線性光�(xué)晶體的生�(zhǎng)技�(shù)居國(guó)際先�(jìn)水平,國(guó)外已有的所有晶體生�(zhǎng)方法我國(guó)都有,幾乎所有重要的非線性光�(xué)晶體都已生長(zhǎng)出來(lái),一些重要晶體滿足了�(guó)�(nèi)重大工程需求,一批高技�(shù)晶體已成為商�,在�(guó)際上享有盛譽(yù)�
�、市�(chǎng)需求分�
非線性光�(xué)晶體材料是一�(gè)和激�、光電子、光通信等產(chǎn)�(yè)密切相關(guān)的相�(dāng)確定的產(chǎn)�(yè),受這些�(chǎn)�(yè)的發(fā)展和變化的影響非常大。隨著上世紀(jì)末全世界信息化浪潮的迅猛�(fā)展和光電子技�(shù)的廣泛采�,國(guó)�(nèi)外對(duì)光電功能晶體尤其是非線性光�(xué)晶體的市�(chǎng)需求劇增�
近年�(lái)全世界的非線性光�(xué)晶體的銷售額每年超過(guò)4億美�,傳�(tǒng)的非線性晶體的需求量仍在逐年增大,今后幾年市�(chǎng)增長(zhǎng)率在1530%左右�
非線性光�(xué)元件在調(diào)制開(kāi)�(guān)與遠(yuǎn)程通訊、信息處理和娛樂(lè)等三�(gè)�(lǐng)域表�(xiàn)出了加速發(fā)展的趨勢(shì)�
主要的商�(yè)化非線性光�(xué)晶體有鈮酸鋰(LiNbO3)、磷酸鈦氧鉀(KTP)�-偏硼酸鋇(BBO)、三硼酸�(LBO)、磷酸二氫鉀(KDP)、磷酸二氘鉀(DKDP)等,其中LiNbO3是市�(chǎng)最大的非線性光�(xué)晶體,光通訊和工�(yè)激光是它最重要的兩�(gè)�(yīng)用領(lǐng)�。光通訊行業(yè)的持�(xù)�(fā)展使得應(yīng)用于光通信�(diào)幅器的LiNbO3晶體不僅占據(jù)了絕大部分的市場(chǎng),而且市場(chǎng)份額每年都在增長(zhǎng)�
除光通信�,工�(yè)激�、電光是非線性光�(xué)晶體�(yīng)用的重要市場(chǎng),近幾年一直保持著每年1520%的市�(chǎng)增長(zhǎng),其中BBO、KTP晶體是本�(lǐng)域近幾年增長(zhǎng)最快的晶體品種,市�(chǎng)前景看好�
�(yī)用固體激光器�(lǐng)域是非線性光�(xué)晶體的另一�(gè)重要市場(chǎng),主要應(yīng)用的是KTP、KDP和BBO晶體,CLBO也將�(huì)得到大量�(yīng)用。由于醫(yī)療行�(yè)激光器的快速發(fā)�,帶�(dòng)KTP等非線性光�(xué)晶體的需求量也迅速增�(zhǎng)�
�(jù)市場(chǎng)�(diào)查企�(yè)美國(guó)BCC(BusinessCommunicationsCompany,Inc)研究公司的最新報(bào)��2005年非線性光�(xué)晶體全球市場(chǎng)�(guī)模達(dá)�8�5610�(wàn)美元,預(yù)�(jì)未來(lái)將以17.1%的年平均增長(zhǎng)率擴(kuò)大至2009年的16�5600�(wàn)美元左右。其中用于光通訊的LiNbO3�2005年占非線性光�(xué)晶體材料的市�(chǎng)份額�24.5%�2009年預(yù)�(jì)�29.6%。用于激光和電光�(lǐng)域的KTP、KDP、DKDP、BBO、CLBO、LBO等晶體在2005年占非線性光�(xué)晶體材料的市�(chǎng)份額�18.5%,KTP晶體�(yù)�(jì)的AAGR(年平均增�(zhǎng)�)�5.4%,其它晶體的AAGR總共�8%�
主要非線性光�(xué)晶體材料全球銷售�,單位:百萬(wàn)美元
晶體類型20032004200520062009AAGR%
2005-2009
LiNbO317020023027552522.9
KTP303550557510.7
KDP,DKDP,BBO,
CLBO,LBO,ZGP455070801019.6
資料�(lái)源:BBCInc�2009為預(yù)�(cè)��
從整�(gè)非線性光�(xué)晶體材料、器件及整機(jī)�(shè)備來(lái)�,美�(guó)、日本等�(fā)�(dá)�(guó)家是�(chǎn)�(yè)大國(guó),在大規(guī)模生�(chǎn)的非線性光�(xué)晶體如LiNbO3占有壟斷地位。小�(guī)模的材料品種如KTP、BBO、LBO等,主要是中�(guó)、立陶宛等占具優(yōu)�(shì)地位。在器件制造方�,由于整體技�(shù)力量�(qiáng),工�(yè)基礎(chǔ)好,�、歐等發(fā)�(dá)�(guó)家占有決定性的�(yōu)�(shì)地位。中�(guó)等發(fā)�(dá)中國(guó)家則只能給發(fā)�(dá)�(guó)家提供晶體材�,賺取少許利�(rùn)�
�、發(fā)展趨�(shì)
1)紫外向更短波段的�(fā)�
�(fā)展全固態(tài)深紫�(200nm)相干光源,是目前�(guó)際光電子�(lǐng)域最前沿的研究項(xiàng)目之一,這是�?yàn)樽贤饧す庠谠S多高技�(shù)�(lǐng)域有著十分重要的�(yīng)用,如新一代的集成電路光刻技�(shù)需要全固態(tài)的紫外相干光�;光電子能�、光譜技�(shù)中,迫切需要可�(diào)諧的全固�(tài)深紫外相干光�,這對(duì)于推�(dòng)深紫外光譜、能譜儀的發(fā)展將起到�(guān)鍵性的作用,并將開(kāi)辟一�(gè)新的物質(zhì)科學(xué)研究�(lǐng)�;深紫外相干光源還將極大地推動(dòng)激光精密機(jī)械加工業(yè)的發(fā)�。由于目前還�(méi)有直接輸出深紫外波長(zhǎng)的激光晶體問(wèn)�,解決固�(tài)深紫外激光光源的�(guān)鍵問(wèn)題集中在紫外波段的NLO變頻晶體的研制和�(yīng)用開(kāi)�(fā),其帶動(dòng)相關(guān)工業(yè)�(fā)展和技�(shù)�(jìn)步的前景是十分誘人的�