能改变激光的神奇材料

能改变激光的神奇材料

激光是20世纪60年代人类最重大的科学成就之一。由于激光具有任何其他光源所不具备的优异特性，因而它一问世就得到了广泛的关注和迅速的发展。现在，激光的应用遍及军事技术、宇宙探索、精密测量、电子工业、生物学、医学、机械加工、气象学、地质学、化学和摄影等领域，它已成为当今人类活动不可缺少的有力工具。

不同的激光光源产生的激光不同，不同的激光应用不同。现在常见的激光光源是Nd：YAG激光器，它能产生波长为1064纳米（1纳米＝10^－9米）的红外激光。能产生蓝绿激光的激光光源较难获得，而蓝绿激光又有非常重要的应用，因此寻求蓝绿激光光源成为科学家的重要研究课题。

1961年，物理学家弗兰肯及其合作者将一束波长为694.2纳米（频率14405厘米^－1）的红宝石激光通过石英晶体时，其波长变成了347.1纳米（频率28810厘米^－1），频率恰好是原来的两倍，这种现象我们称之为倍频效应，这种能改变激光的神奇材料叫倍频材料。

弗兰肯等人的实验为人们开创了一个崭新的领域。倍频材料在光电通信、光学信息处理和集成电路等光电子学及军事领域已得到许多重要的应用。例如，将1064纳米的红外激光通过倍频材料就会变成波长为532纳米的蓝绿激光，而蓝绿激光不仅可以用来引发核聚变、分离用于制造核武器的铀同位素，而且还可以用来解决与海底导弹潜艇通讯的难题。在美国的“星球大战”计划中，蓝绿激光器是基本武器之一。用激光材料制成的集成光路可以用于制造光计算机。理论计算表明，无论是运算速度还是存储容量都是电子计算机所远远不能相比的。在信息时代，便捷的通讯越来越重要，而拥挤的信息传递渠道严重影响着信息的传递数量和质量，而光纤通讯技术可以很好地解决这一问题。光导纤维是用超纯石英材料制成的，在一根头发丝般细的光导纤维中可以传递几十万路电话或几千路电视。除了光导纤维外，要实现光纤通讯还要有能长期稳定工作的激光光源，这些都离不开激光材料的运用。

倍频材料的重要应用吸引了大批科技工作者，使这一学科得到了迅速的发展。早期倍频材料的研究主要集中在无机材料上，科学家们成功地研制出了像磷酸氧钛钾（简称KTP）和磷酸二氢钾（简称KDP）等在蓝绿激光器中有重要应用的材料，它们有着重要的战略意义。在美国，这些材料已被列为美国国务院控制下的军事物资。中国在无机倍频材料的研究方面处于国际领先地位，中国科学院福建物质结构研究所的研究人员研制的低温相偏硼酸钡（简称BBO）具有优良的性能，在现代激光技术中得到了广泛的应用。新型优质倍频材料BBO在国际上受到了高度的评价，现在BBO已成为国际市场上同类产品的佼佼者。

继无机材料之后，人们又发现了有机倍频材料，它有无机材料所无法比拟的诸多优点：有机材料的倍频效率要比无机材料高出1～2个数量级；抗激光损伤的能力强；有更加丰富的原料来源等。但同时也有不足之处：有机材料的热稳定性较低，在温度较高的环境下便分解或变质，并且容易破碎，这是有机材料付诸应用的主要障碍。但近年来，有机材料的优良性能引起了科学家们的极大关注，先后有许多性能优良的有机材料问世，像尿素和一种叫POM的材料等，在美国已成为商业化的产品。在这一领域，山东大学晶体材料研究所等单位做了大量工作并取得了较好的研究成果。

目前，有机倍频材料的研究已取得了令人瞩目的进展，并且不断有新的材料涌现出来，但是离实际应用的要求还有一段距离。随着研究工作的进展，人们还发现提高有机材料的倍频效率的同时，往往伴随着材料透光性能的降低，克服这些不足成为改良有机材料性能的焦点问题。

为了解决这一问题，科学家们开始研究高分子材料和金属有机材料。这些材料在克服有机材料的缺点方面十分有效，这一将有机化合物和无机化合物的特性集于一身的设计思想对人们在改良倍频材料的性质方面是有很大启发性的。但遗憾的是，迄今为止在现代激光领域得到广泛应用的有机材料仍然非常少。这一关系国计民生的重大课题，正等待着一种全新的思想和材料的诞生，到那一天与我们生活密切相关的诸多领域将会产生革命性的变化。