非線性光學晶體的國內外發(fā)展現狀與趨勢

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，并實現產業(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、光通信等產業(yè)密切相關的相當確定的產業(yè)，受這些產業(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)達國家是產業(yè)大國，在大規(guī)模生產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。