非线性光学材料小结讲解

1、非线性光学资料小结解说非线性光学资料小结解说10/10非线性光学资料小结解说非线性光学资料一、概括20世纪60年月,Franken等人用红宝石激光束经过石英晶体,初次察看到倍频效应,进而宣布了非线性光学的出生,非线性光学资料也随之产生。定义:能够产生非线性光学效应的介质(一、非线性光学效应当激光这样的强光在介质流传时,出现光的相位、频次、强度、或是其余一些流传特色都发生变化,并且这些变化与入射光的强度相关。物质在电磁场的作用下,原子的正、负电荷中心会发生迁徙,即发生极化,产生一引诱偶极矩p。在光强度不是很高时,分子的引诱偶极矩p线性正比于光的电场强度E。可是,当光强足够大如激光时,会产生非经典

2、光学的频次、相位、偏振和其余传输性质变化的新电磁场。分子引诱偶极矩p就变为电场强度E的非线性函数,以下表示:p=E+E2+?E3+式中为分子的微观线性极化率;为一阶分子超极化率(二阶效应,为二阶分子超极化率(三阶效应。即鉴于电场强度E的n次幂所引诱的电极化效应就称之为n阶非线性光学效应。对宏观介质来说,p=x(1E+x(2E2+x(3E3+?此中x(1、x(2、x(3?近似于、?,表示介质的一阶、二阶、三阶等n阶非线性系数。所以,一种好的非线性光学资料应是易极化的、拥有非对称的电荷散布的、拥有大的电子共轭系统的、非中心对称的分子构成的资料。其余,在工作波长可实现相位般配,有较高的功率破环阈值,

3、宽的透过能力,资料的光学圆满性、平均性、硬度及化学坚固性好,易于进行各样机械、光学加工也是必要的。易于生产、价钱廉价等也是应当考虑的要素。当前研究好多的是二阶和三阶非线性光学效应。常有非线性光学现象有:光学整流。E2项的存在将惹起介质的恒定极化项,产生恒定的极化电荷和相应的电势差,电势差与光强成正比而与频次没关,近似于沟通电经整流管整流后获得直流电压。产生高次谐波。弱光进入介质后频次保持不变。强光进入介质后,因为介质的非线性效应,除本来的频次外,还将出现2、3、等的高次谐波。1961年美国的P.A.弗兰肯和他的同事们初次在实验上察看到二次谐波。他们把红宝石激光器发出的3千瓦红色(6943埃激光

4、脉冲聚焦到石英晶片上,察看到了波长为3471.5埃的紫外二次谐波。若把一块铌酸钡钠晶体放在1瓦、1.06微米波长的激光器腔内,可获得连续的1瓦二次谐波激光,波长为5323埃。非线性介质的这类倍频效应在激光技术中有重要应用。光学混频。当两束频次为1和2(12的激光同时射入介质时,假如只考虑极化强度P的二次项,将产生频次为1+2的和频项和频次为1-2的差频项。利用光学混频效应可制作光学参量振荡器,这是一种可在很宽范围内调谐的近似激光器的光源,可发射从红外到紫外的相关辐射。受激拉曼散射。一般光源产生的拉曼散射是自觉拉曼散射,散射光是不相关的。当入射光采纳很强的激光时,因为激光辐射与物质分子的激烈作用

5、,使散射过程拥有受激辐射的性质,称受激拉曼散射。所产生的拉曼散射光拥有很高的相关性,其强度也比自觉拉曼散射光强得多。利用受激拉曼散射可获得多种新波长的相关辐射,并为深入研究强光与物质互相作用的规律供给手段。自聚焦。介质在强光作用下折射率将随光强的增添而增大。激光束的强度拥有高斯散布,光强在中轴处最大,并向外面递减,于是激光束的轴线周边有较大的折射率,像凸透镜相同光束将向轴线自动汇聚,直到光束达到一细丝极限(直径约510-6米,并可在这细丝范围内产生全反射,仿佛光在光学纤维内流传相同。与自聚焦相同原理的另一种现象叫自散焦。光致透明。弱光下介质的汲取系数(见光的汲取与光强没关,但对很强的激光,介质

6、的汲取系数与光强有依靠关系,某些本来不透明的介质在强光作用下汲取系数会变为零。(二、非线性光学资料种类1、无机非线性光学晶体2、有机非线性光学晶体3、无机-有机杂化资料等(三、应用:宽泛应用于激光技术和光谱技术1、在倍频激光器中获得倍频光2、用作光学参量振荡器,制成宽光谱范围的课调谐单色光源3、实现将红外光变为可见光的频次变换4、被以为是用于开发光计算机的重点资料二、常有的非线性光学资料1无机非线性光学资料在二次非线性光学资料应用上,无机资料很长时间处于主要地位,获得了巨大的进展,到现在已在好多装置中获得应用。与有机资料比,无机资料平常更坚固,它们中好多资料都同意各向异性离子互换,使之可用于导

7、波器资料,并且它们都有比有机资料纯度更高的晶体形式。此中包含KTP(KTiO2PO4型资料、KDP(KH2PO4型资料、钙钛矿型(LiNbO3、KNbO3等资料、半导体资料(Te、Ag3AsS3、CdSe等、硼酸盐系列资料(包含KB5、BBO、LBO和KBBF等,另外还仿佛沸石分子筛基资料、玻璃型和配合物型资料等。型晶体主要包含KH2PO4和四方晶系的一些同构物及其氘代物晶体等。此类晶体生长简单,简单获得高质量的单晶,能够获得90的相位般配,合适于高功率倍频。固然它们的非线性系数较小,但在高功率下其实不阻拦获得高的变换效率。型晶体主要包含KTiOPO4以及正交晶系的同构物等。KTP晶体拥有非线

8、性系数大,汲取系数低,不易潮解,很难脆裂,化学坚固性好,易加工和倍频变换效率高等长处,是一种优秀的非线性光晶体,但紫外透过能力差限制了它在紫外区的应用。1.3硼酸盐晶体如偏硼酸钡(BBO,三硼酸锂(LBO等。此类晶体的共同特色是紫外透光范围特别宽。此中BBO和LBO的长处是非线性系数大,变换效率高,透光范围宽,光损害阈值高,化学坚固性好和易于机械加工。1.4半导体资料如Te、Ag3AsS3、CdSe,GaP,GaAs,一SiC和一SiC等,经过调理资料的能隙,有效地改变电子的跃迁几率,进而控制资料的非线性光学响应。此类资料大多拥有较高的非线性光学系数,缺点是晶体质量不高,光损害阈值太低。1.5

9、钙钛矿型晶体主要包含LiNbO3、LiTaO3以及不一样样Li/Nb原子比的LixNbyO3型铁电晶体等。它们都拥有较好的非线性光学效应,已被宽泛地应用。铌酸锂单晶是一种拥有优秀的线性和非线性光学特色的铁电资料,拥有较大的电光系数、宽的光透射范围以及优秀的热坚固性和化学坚固性,是宽泛用于制造电光调制器、电光偏转器、电光开关及制造集成光学器件十分理想的无机晶体材料。同时,铌酸锂的压电性能又使它成为制造超声换能器、声表器件的重点资料,可用于视频和微波信号办理。当前铌酸锂绝大多数用于远程通讯。但铌酸锂简单产生光损害,限制了它在较强激光场合中的应用。1.6沸石分子筛基资料经过沸石分子筛基的分子组装,能

10、够获得非线性光学资料的纳米团簇。因为某种分子筛只好赞成必定大小的分子进入,其孔道构造在组装过程中的作用极其重要。当前研究好多的是在沸石中组装有机非线性光学效应物质。如在分子筛的孔道内聚合生长的聚合物,微观有序性较好,防范了聚合物分子有序性易被损坏的缺点。同时作为基体的分子筛对客体有机分子起到保护作用,加强了客体的光热坚固性。其余,能够经过调理分子筛骨架电化学构成而改变其介电常数,调理主客体之间的影响,进而加强非线性光学效应。又如,对某些有对称中心的有机分子在某些分子筛中组装此后产生非线性光学效应。如在A1PO4一5分子筛中利用气相装载的方法组装对硝基苯胺后发现生成的包含化合物表现出必定的倍频效

11、应,可能A1PO4一5无对称中心构造致使,而有对称中心的沸石不产生这类影响。1.7玻璃非线性光学资料玻璃的非线性光学效应大多是因为资料的原子或离子在强光电场的照耀下的非线性极化所惹起的共振效应。玻璃虽拥有各向同性,但在遇到如电极化、热极化、激光引诱极化、电子束辐射极化等作用时,可使其构造发生变化,在微小的地区内产生相当强的定向极化,进而打破玻璃的反演对称性,使其拥有二阶非线性光学效应。可用于制备二倍倍频器、杂化双稳器、紫外激光器,红外激光器、电光调制器等。利用玻璃的三阶非线性光学效应可制备超高速光开关、光学储蓄器、光学运算元件、新式光纤等。如碲铌锌系统玻璃就是一种性能优秀的三阶非线性光学玻璃资

12、料。在碲铌锌系统玻璃中引入稀土离子,利用其4f电子的跃迁提升谐波光子激发的可能性,进而提升玻璃的三阶光学非线性。因为玻璃构成多样,性能优胜、透光性好、优秀的化学坚固性和热坚固性、易于制作和加工和易于混杂等一系列长处,日趋惹起人们的重视,也是一类有较好应用远景的非线性光学资料。2有机非线性光学资料在非线性光学资料研究早期就发现尿素、苦味酸、二硝基苯胺等一系列有机物拥有非线性光学效应。因为拥有大的非定域共轭电子系统的有机分子有较强的光电耦合特色,所以能获得高的响应值和比较大的光学系数。八十年月今后,有机非线性光学资料快速发展起来。有机资料比较无机资料拥有非线性光学系数高、响应快速、易于修饰、光学损

13、害阈值高、易于加工及分子可变性强等长处。当前发现或合成的有机非线性光学资料好多,包含各样有机低分子非线性光学资料、高聚物非线性光学资料、金属有机配合物非线性光学资料等。2.1有机低分子非线性光学资料主要包含如尿素及其衍生物,希夫碱系化合物,偶氮化合物,二苯乙烯类化合物,稠杂环化合物,酞菁类化合物,有机盐类等一系列含发色团的拥有共轭链的近紫外汲取的小分子化合物质料。有机分子拥有大的离域的电子共轭构造,易被极化,拥有较大的非线性光学系数,易于设计和裁剪组合,易于加工成型,便于器件化。其余,它们成真相对较低,介电常数低,光学响应快以及与铁电无机晶体可比较或远远超出的非共振光学极化率。所以可经过分子设

14、计并合成的方法改变构造开发出新式构造资料。2.2高聚物非线性光学资料高聚物非线性光学资料不只拥有非线性光学系数大,响应速度快,直流介电常数低等长处,并且因为分子链以共价键连结,机械强度高,化学坚固性好,加工性能优秀,构造可变性强,可制成如膜、片、纤维等各样形式。在光调制器件,光计算用的神经网络,空间光调制器,光开关器件以及全光串行办理元件等好多方面拥有广阔的应用远景。在合成高聚物非线性光学资料时,虽然高分子自己拥有非中心对称单元,但其偶极矩的取向无规律,其非线性光学性能较弱。所以可经过外加电场,使分子的取向定向摆列,进而加强其非线性光学性能。高分子链的极化取向要在玻璃化转变温度以上才能发生,而

15、取向冻结要在玻璃化转变温度以下,这样要求高分子资料拥有较高的玻璃化转变温度。聚合物还应是透明的资料,使光损失尽量小。依据聚合物构造可大概分为主客体型聚合物、侧链及主链型聚合物、交联型聚合物、共轭型聚合物非线性光学资料等。(1主客体型聚合物将拥有高非线性光学系数的客体有机共轭分子和主体聚合物进行混杂,形成主客系统的非线性光学资料,又称混杂型非线性资料。此类聚合物拥有较好的非线性光学特色,简单制备和纯化,但常常主客体相容性较差,混杂量难以增添。其余低分子混杂物的加入还会降低资料的玻璃化温度,影响其取向坚固性。(2侧链及主链型聚合物将生色团分子经过共价键或离子键键合到聚合物主链或侧链上。此类聚合物较

16、混杂型资猜中发色团含量增添,增添了取向坚固性,拥有较高的非线性。可是场引诱的非中心对称摆列的高分子易发生废弛,使性能变差。(3交联型聚合物将发色团分子交联在聚合物网络中,在交联反响发生以前或在交联过程中把发色团取向极化,生色团取向坚固性获得显然改良,进而获得较好的光学性能。(4共轭型聚合物分子的离域程度越高,资料的非线性光学性能越好。共轭型聚合物可作为优秀的二阶非线性光学资料。此类聚合物非线性光学资料主要有聚二乙炔(PDA、聚乙炔(PA、聚噻吩(PTh、聚苯乙炔(PPV、聚苯胺类(PAn、聚苯并噻唑(PBT、聚苯并咪唑(PBI、聚酰亚胺及其衍生物。其余还有无机聚合物如聚膦腈、聚硅氧烷和聚烷基硅

17、等均表现出较好的非线性光学性能,拥有更好的热和化学坚固性。2.3金属有机配合物非线性光学资料主要包含金属茂烯类配合物、金属羰基配合物、金属烯烃类有机配合物、金属多炔聚合物、金属卟啉有机配合物、金属酞菁有机配合物以及其余配合物型非线性光学资料等。1986年等第一报导了金属有机化合物的二次谐波效应。今后,陆续发现了一些金属有机化合物非线性效应。分子构型对金属有机配合物的非线性光学性质以及颜色有着直接的影响。因为配体、金属的多样性,金属有机化合物亦拥仿佛多样的构造,较单纯的有机分子构成的非线性光学资料有更多的优势。因为金属原子拥有不一样样的d或f电子数、不一样样的氧化态和配位数,可形成不一样样的三维

18、构造,致使独到的光电性能。如中心金属的氧化复原变化可能致使较大的分子超极化率;中心金属也可成为手性中心,拆分后可获得非中心对称的晶体;金属原子的引入可将磁、电性质与光学性质联合起来,产生磁光、电光效应。其余,金属有机配合物有好多的汲取谱带,存在着光子从金属到配体以及从配体到金属跃迁,有较大的基态偶极矩和极化率,基态和激发态间的能级差较小,有利于提升资料的光电响应速度。经过设计和合成拥有必定构造特色的新式配体,将有益于配合物研究的进一步发展。秦金贵等总结出以下规律:假如希望研究在可见光区圆满透明的二阶非线性光学资料,能够设计成四周体、四方锥或八面体分子;假如希望研究新的发色团或三阶非线性光学资料(此类资料不要求可见光区圆满透明,则应当设计出平面四方形的金属有机化合物。2.3无机/有机杂化资料无机/有机杂化非线性光学资料综合了无机资料和有机资料的长处等方法或溶胶/凝胶技术将有机功能分子或聚合物掺入无机网络中分子之间形成化学键的一类新资料。,经过成盐,在无机/有机ZhangXM等利用成盐法获得了大的奇异电荷转移盐单晶,4-DMSP4NH2Me22HSiFeMo110403H20(4-DMSP+=4-对-(二甲氨基苯乙烯吡啶甲基阳离子盐,其二阶非线性效应为KDP的1.2倍。经过溶胶/