一支普通的激光筆，內(nèi)部的激光器原本發(fā)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(gè)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(xué)晶體。

什么是非線性光學(xué)晶體

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

《星球大戰(zhàn)》電影中的激光武器劇照  

第一臺(tái)紅寶石激光器（左）和非線性光學(xué)首次試驗(yàn)（右）    

1960 年，世界上第一臺(tái)紅寶石（Cr3+:Al2O3）激光器誕生。1961年，F(xiàn)ranken等首次發(fā)現(xiàn)激光通過石英晶體時(shí)會(huì)產(chǎn)生倍頻現(xiàn)象，隨后科學(xué)家們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)激光在通過某些特定晶體時(shí)會(huì)產(chǎn)生倍頻、和頻、差頻、混頻與光參量振蕩等光學(xué)變頻現(xiàn)象，這些晶體被稱為非線性光學(xué)晶體。

非線性光學(xué)晶體的變頻，簡(jiǎn)單地說就是改變激光波長(zhǎng)、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(shù)關(guān)系。改變激光的波長(zhǎng)，對(duì)我們?nèi)说难劬碚f，就是改變了激光的顏色。

非線性光學(xué)晶體激光變頻過程示意圖

非線性光學(xué)晶體的應(yīng)用

非線性光學(xué)晶體是重要的光電信息功能材料之一，種類多達(dá)百種，其發(fā)展程度與激光技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。激光光源的波長(zhǎng)拓展很大程度上依賴于非線性光學(xué)晶體的變頻能力，是獲得不同波段（不同顏色）激光的物質(zhì)基礎(chǔ)和源頭，在激光存儲(chǔ)、激光通信、激光醫(yī)療、半導(dǎo)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(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

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

綠光激光指示筆（左）   激光舞臺(tái)表演（右）

非線性光學(xué)晶體更是高新技術(shù)和現(xiàn)代軍事技術(shù)中不可缺少的關(guān)鍵材料。激光武器、神光工程和美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置等高精尖裝備中，都有非線性光學(xué)晶體的身影。尤其是在受控核聚變中的應(yīng)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(xué)晶體，被李克強(qiáng)總理稱為“國(guó)家的寶貝”。同時(shí)非線性光學(xué)晶體也“上天入地”，RTP（磷酸氧鈦銣）電光晶體與器件作為關(guān)鍵核心元器件在美國(guó)“好奇”號(hào)火星探測(cè)車以及LIGO引力波探測(cè)系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。

KDP晶體（左）神光工程靶室（中）美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（右）

火星探測(cè)車（左）    LIGO引力波探測(cè)系統(tǒng)（右）

人工晶體院非線性光學(xué)晶體

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

沈德忠院士先后生長(zhǎng)出KN、KTP等十多種晶體，成功地解決KN晶體生長(zhǎng)過程中的賦色、開裂以及晶體應(yīng)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(shí)現(xiàn)了室溫自泵浦相位共軛。KTP晶體由上個(gè)世紀(jì)70年代美國(guó)杜邦公司研發(fā)，美國(guó)政府把KTP晶體作為高度保密的高科技產(chǎn)品，一塊3×3×5mm3的KTP晶體倍頻器售價(jià)2750美元，而且對(duì)我國(guó)實(shí)行嚴(yán)格的技術(shù)封鎖和禁運(yùn)。為給中國(guó)人爭(zhēng)氣，打破禁運(yùn)，首次用改進(jìn)的助熔劑法研制成功可用于實(shí)際倍頻的大尺寸、高光學(xué)質(zhì)量KTP單晶，不但打破了美國(guó)對(duì)該晶體的壟斷和對(duì)我國(guó)的禁運(yùn)，后經(jīng)原國(guó)家科委同意向美國(guó)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(jìn)一步研究，不但賺取了數(shù)百萬美元的外匯，而且極大地提高了我國(guó)在國(guó)際晶體生長(zhǎng)界的聲譽(yù)。

晶體院承擔(dān)了包括國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目、中關(guān)村園區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目、北京市科技計(jì)劃等一大批重要研究課題提供了關(guān)鍵的非線性晶體器件。

“雄關(guān)漫道真如鐵，而今邁步從頭越”。進(jìn)入新時(shí)代，晶體院非線性光學(xué)晶體與器件以面向激光技術(shù)、量子信息科學(xué)等領(lǐng)域國(guó)家重大戰(zhàn)略和服務(wù)高科技發(fā)展需求應(yīng)用為主線，超大尺寸CLBO（硼酸銫鋰）晶體生長(zhǎng)與器件研制水平國(guó)際領(lǐng)先，引領(lǐng)發(fā)展，為國(guó)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(shí)現(xiàn)無人機(jī)、直升機(jī)等激光測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用 “進(jìn)口替代“，并推進(jìn)工程化、規(guī)?；?，改變量子信息光學(xué)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(jìn)口，受制于人的局面，保持和發(fā)展非線性光學(xué)晶體與器件在國(guó)內(nèi)外知名度和影響力。