非線性光學晶體是重要的光電信息功能材料之一，是光電子技術特別是激光技術的重要物質基礎，其發(fā)展程度與激光技術的發(fā)展密切相關。
非線性光學晶體材料可以用來進行激光頻率轉換，擴展激光的波長；用來調制激光的強度、相位；實現(xiàn)激光信號的全息存儲、消除波前疇變的自泵浦相位共軛等等。所以，非線性光學晶體是高新技術和現(xiàn)代軍事技術中不可缺少的關鍵材料，各發(fā)達國家都將其放在優(yōu)先發(fā)展的位置，并作為一項重要戰(zhàn)略措施列入各自的高技術發(fā)展計劃中，給予高度重視和支持。
伴隨著激光技術從上世紀六十年代發(fā)展至今，非線性光學晶體也得到長足的發(fā)展，從最初的石英倍頻晶體開始，不斷涌現(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)、偏硼酸鋇(-BaB2O4—BBO)、三硼酸鋰(LiB3O5—LBO)、鈮酸鉀（KNbO3—KN）、硼酸銫(CSB3O5—CBO)、硼酸銫鋰(LiCSB6O10—CLBO)、氟硼酸鉀鈹（KBe2BO3F2—KBBF）以及硫銀鎵（AgGaS2—AGS）、砷鎘鍺（CdGeAs—CGA）、磷鍺鋅（ZnGeP2—ZGP）等非線性光學晶體，廣泛應用于激光倍頻、和頻、差頻、光參量放大以及電光調制、電光偏轉等。比較有代表的例子是：用LN制作的光波導器件及調制器件，已廣泛應用于光通訊；利用KTP晶體的商業(yè)內(nèi)腔倍頻YAG激光器，其綠光輸出可達幾百瓦；用CBO和頻的YAG三倍頻激光器，355nm輸出已達17.7瓦；用CLBO四倍頻的YAG激光器，266nm紫外光輸出已達42瓦；用KBBF直接六倍頻已獲177.3nm的深紫外激光；使用KTP、BBO、LBO的光參量振蕩器，其調諧范圍覆蓋了可見光到4.5m波段，并實現(xiàn)單縱模運轉。
就非線性光學晶體、器件及應用整個領域的科技水平來看，發(fā)達國家如美國、英國等居于世界前列，從最初的原理提出、新材料的探索、器件的開發(fā)，他們都作出了重要的貢獻。在非線性晶體材料的生產(chǎn)上，日本、中國、和前蘇聯(lián)的一些國家如俄羅斯、烏克蘭、立陶宛等，占有重要的地位，而美國和歐洲一些國家則主要側重于非線性晶體器件及設備的制造。我國在非線性光學晶體領域占有重要的地位。
一、中國在本領域的世界地位
我國無論在非線性光學晶體的學術研究還是產(chǎn)業(yè)化方面，都在國際上有著重要的影響，特別是在可見、紫外波段非線性晶體的研究方面一直處于領先水平，受到世界矚目。我國在非線性晶體領域最主要的成就是（1）發(fā)明了摻鎂LiNbO3晶體，通過摻雜使得LiNbO3的抗損傷閾值提高了兩個數(shù)量級以上，大大開拓了鈮酸鋰晶體的應用領域；（2）在硼酸鹽系列中發(fā)現(xiàn)并研制出-BBO、LBO、CBO、KBBF等一系列性能優(yōu)異的紫外非線性光學晶體，開創(chuàng)了紫外激光倍頻的新紀元，使得人類不斷向固體紫外激光的極限推進；（3）首次在國際上用溶劑法生長出可實際應用的KTP大單晶，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，使KTP晶體在全世界得到普遍的應用，促進了激光技術的發(fā)展。（4）主導了周期、準周期極化人工微結構非線性光學晶體材料的研究和實驗驗證，開拓了非線性光學晶體的新領域。
我國多種非線性光學晶體的生長技術居國際先進水平，國外已有的所有晶體生長方法我國都有，幾乎所有重要的非線性光學晶體都已生長出來，一些重要晶體滿足了國內(nèi)重大工程需求，一批高技術晶體已成為商品，在國際上享有盛譽。
二、市場需求分析
非線性光學晶體材料是一個和激光、光電子、光通信等產(chǎn)業(yè)密切相關的相當確定的產(chǎn)業(yè)，受這些產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和變化的影響非常大。隨著上世紀末全世界信息化浪潮的迅猛發(fā)展和光電子技術的廣泛采用，國內(nèi)外對光電功能晶體尤其是非線性光學晶體的市場需求劇增。
近年來全世界的非線性光學晶體的銷售額每年超過4億美元，傳統(tǒng)的非線性晶體的需求量仍在逐年增大，今后幾年市場增長率在1530%左右。
非線性光學元件在調制開關與遠程通訊、信息處理和娛樂等三個領域表現(xiàn)出了加速發(fā)展的趨勢。
主要的商業(yè)化非線性光學晶體有鈮酸鋰（LiNbO3）、磷酸鈦氧鉀（KTP）、-偏硼酸鋇(BBO)、三硼酸鋰（LBO）、磷酸二氫鉀（KDP）、磷酸二氘鉀（DKDP）等，其中LiNbO3是市場最大的非線性光學晶體，光通訊和工業(yè)激光是它最重要的兩個應用領域。光通訊行業(yè)的持續(xù)發(fā)展使得應用于光通信調幅器的LiNbO3晶體不僅占據(jù)了絕大部分的市場，而且市場份額每年都在增長。
除光通信外，工業(yè)激光、電光是非線性光學晶體應用的重要市場，近幾年一直保持著每年1520%的市場增長，其中BBO、KTP晶體是本領域近幾年增長最快的晶體品種，市場前景看好。
醫(yī)用固體激光器領域是非線性光學晶體的另一個重要市場，主要應用的是KTP、KDP和BBO晶體，CLBO也將會得到大量應用。由于醫(yī)療行業(yè)激光器的快速發(fā)展，帶動KTP等非線性光學晶體的需求量也迅速增長。
據(jù)市場調查企業(yè)美國BCC（BusinessCommunicationsCompany,Inc）研究公司的最新報告，2005年非線性光學晶體全球市場規(guī)模達到8億5610萬美元，預計未來將以17.1％的年平均增長率擴大至2009年的16億5600萬美元左右。其中用于光通訊的LiNbO3在2005年占非線性光學晶體材料的市場份額為24.5%，2009年預計為29.6%。用于激光和電光領域的KTP、KDP、DKDP、BBO、CLBO、LBO等晶體在2005年占非線性光學晶體材料的市場份額為18.5%，KTP晶體預計的AAGR（年平均增長率）為5.4%，其它晶體的AAGR總共為8%。
主要非線性光學晶體材料全球銷售額，單位：百萬美元
晶體類型20032004200520062009AAGR%
2005-2009
LiNbO317020023027552522.9
KTP303550557510.7
KDP,DKDP,BBO,
CLBO,LBO,ZGP455070801019.6
資料來源：BBCInc。2009為預測值。
從整個非線性光學晶體材料、器件及整機設備來看，美國、日本等發(fā)達國家是產(chǎn)業(yè)大國，在大規(guī)模生產(chǎn)的非線性光學晶體如LiNbO3占有壟斷地位。小規(guī)模的材料品種如KTP、BBO、LBO等，主要是中國、立陶宛等占具優(yōu)勢地位。在器件制造方面，由于整體技術力量強，工業(yè)基礎好，美、歐等發(fā)達國家占有決定性的優(yōu)勢地位。中國等發(fā)達中國家則只能給發(fā)達國家提供晶體材料，賺取少許利潤。
三、發(fā)展趨勢
1）紫外向更短波段的發(fā)展
發(fā)展全固態(tài)深紫外（200nm）相干光源，是目前國際光電子領域最前沿的研究項目之一，這是因為紫外激光在許多高技術領域有著十分重要的應用，如新一代的集成電路光刻技術需要全固態(tài)的紫外相干光源；光電子能譜、光譜技術中，迫切需要可調諧的全固態(tài)深紫外相干光源，這對于推動深紫外光譜、能譜儀的發(fā)展將起到關鍵性的作用，并將開辟一個新的物質科學研究領域；深紫外相干光源還將極大地推動激光精密機械加工業(yè)的發(fā)展。由于目前還沒有直接輸出深紫外波長的激光晶體問世，解決固態(tài)深紫外激光光源的關鍵問題集中在紫外波段的NLO變頻晶體的研制和應用開發(fā)，其帶動相關工業(yè)發(fā)展和技術進步的前景是十分誘人的。
2）現(xiàn)有非線性光學晶體性能的改進以及新晶體的開發(fā)
一個最典型的例子是化學計量比的LiNbO3（簡稱SLN），由于結構完整性提高，SLN較普通的一致熔融鈮酸鋰（簡稱CLN）性能上有質的飛越，若解決了的實用化技術，將會在光電子、光通信等領域產(chǎn)生革命性的變革。—BBO是首先用來將Nd：YAG輸出的1064nm激光四倍頻獲得266nm紫外光的非線性光學晶體。在該頻率轉換領域已應用了幾十年。但該晶體在輸出266nm激光的功率超過180毫瓦時，便會產(chǎn)生光折變損傷而被打壞。新近研制成熟的CLBO晶體，不但晶體生長比BBO容易、長出的單晶比BBO大，而且在266nm輸出達40瓦時，也未被打壞。在此領域，CLBO有替代BBO的趨勢。#p#分頁標題#e#
3）非線性光學晶體的周期性極化準相位匹配技術（QPM）
我國在周期及準周期極化相位匹配的研究方面處于國際領先水平。由于這類準相位匹配器件可以充分發(fā)揮晶體的非線性光學性能，而且一塊晶體可以同時完成倍頻、和頻、參量振蕩等功能。所以這類技術在光通信、激光顯示、空氣污染檢測、醫(yī)藥以及國防等方面都有重要的應用，QPM材料及器件正顯示其極強的生命力。目前比較重要的有PPLN、PPKTP及PPRTA等（“PP”也為“準相位匹配”表示法之一）。
4）紅外波段的非線性光學晶體
相對于可見和紫外波段的非線性晶體，紅外波段的非線性晶體發(fā)展比較慢，主要原因是現(xiàn)有的紅外非線性晶體的光損傷閾值太低，直接影響了實際使用。由于紅外非線性光學晶體在軍事上有重要應用前景，這一類晶體材料成為非線性光學領域的一個重點發(fā)展方向。
5）新型的光折變晶體材料
現(xiàn)有的光折變材料如LiNbO3、BaTiO3等在進行光學信息存儲應用時，其光折變響應速度還不夠快、存儲噪聲還比較大，這兩方面的性能還不能與目前廣泛應用的電磁存儲技術相比。故必須尋找新型的、性能更好的光折變晶體材料或進一步對現(xiàn)有的光折變材料改性提高。
四、發(fā)展思想和重點
我國在非線性光學晶體的產(chǎn)業(yè)化方面也取得了明顯進展，建立了一些生產(chǎn)線，某些晶體品種已經(jīng)實現(xiàn)了商品化，如KTP、LBO、BBO、LN、LT等，產(chǎn)品除滿足國內(nèi)需求外，還大量出口。
但是，當前我國非線性晶體的產(chǎn)業(yè)化進程與技術發(fā)展的需要還有很大差距，尚未在質和量兩方面滿足傳統(tǒng)工業(yè)及高技術領域發(fā)展的要求；整體的研究（應用）開發(fā)水平特別是產(chǎn)業(yè)化水平與國外還有相當大的差距，還沒有形成一套有機聯(lián)系的真正意義上的產(chǎn)業(yè)體系。具體表現(xiàn)在：
1）生產(chǎn)裝備落后，控制水平低、單機產(chǎn)量少、成品率低、產(chǎn)品質量不穩(wěn)定等；
2）產(chǎn)業(yè)分散、規(guī)模?。承┢贩N如LiNbO3，總產(chǎn)量雖然大，但大而不強，產(chǎn)品檔次低，光學級晶體少，多為壓電級）；
3）品種少、規(guī)格不齊全，元器件和發(fā)達國家差距更大，這與晶體深加工如拋光、鍍膜和元器件精密加工制作等水平差有關；
4）產(chǎn)業(yè)化、工程化水平低，一方面某些性能優(yōu)異的晶體材料，尚處在實驗室研究階段，不能滿足高技術發(fā)展的需要，另一方面實驗室成果轉化為生產(chǎn)力的產(chǎn)業(yè)化技術水平極需提高；
5）產(chǎn)業(yè)化推進乏力，資源沒有有效利用，未建立起完整的產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)業(yè)體系。管理體制條塊分割；投資強度低且分散；與晶體生產(chǎn)配套的原材料、專用儀器設備的發(fā)展不平衡；產(chǎn)品應用開發(fā)極待加強，同行之間的無序競爭有待解決。生產(chǎn)與應用之間未建立起有效結合機制，新材料、新產(chǎn)品推廣、應用乏力。
發(fā)展思想
根據(jù)我國在非線性晶體部分領域處于優(yōu)勢地位，以國際光電功能晶體產(chǎn)業(yè)，特別是激光與非線性晶體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢和世界市場為導向，集中力量，發(fā)揮優(yōu)勢，采取重點突破，集中力量攻克一部分對國民經(jīng)濟和國防建設有重大意義的晶體品種，使我國的非線性晶體產(chǎn)值在2010年達到15億元，2020年達到30億元。
發(fā)展重點
1）光通信和集成光學使用的非線性光學晶體，包括準相位匹配（QPM）多疇結構晶體材料與元器件；
2）激光電視紅、綠、藍三基色光源使用的非線性光學晶體；
3）應用于下一代光盤藍光光源的半導體倍頻晶體（如KN和某些可能的QPM產(chǎn)品）；
4）新型紅外、紫外、深紫外非線性晶體的研發(fā)和生產(chǎn)。
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