2022-2023学年高二物理竞赛课件：非线性光学材料

非线性光学材料内容非线性光学现象非线性光学效应和非线性光学材料简介非线性光学材料分类非线性光学晶体材料发展展望非线性光学晶体材料应用物质在强光如激光束的照射下，其光学性质发生了变化．而这种变化又反过来影响了光束的性质。研究这种光与物质的相互作用就是非线性光学的内容。非线性光学效应来源于分子与材料的非线性极化。在电磁场作用下物质中的电荷位移能力称为电极化率。当较弱的光电场作用于介质时，介质的极化强度P与光电场E成线性关系：其中ε0为真空介电常数χ为介质的线性极化系数。当作用于介质的光为强光(如激光)时，介质的极化将是非线性的，在偶极近似的情况下，原子或分子的微观极化关系可表示为：其中第一项为线性项，第二项以后为非线性项，α为分子的线性光学系数(一阶非线性光学系数)，β、γ分别为分子的二阶和三阶非线性光学系数(又称分子的二阶或三阶极化率)，对于一个由多个原子或分子组成的宏观样品来说，外部光电场作用产生的极化强度可表示为：其中χ(n)的含义与α．β、γ类似。χ(n)是(n+1)阶张量，由张量定义可知，当分子和分子集合体具有中心对称性时，n为偶数项的系数就为零，因此，只有那些非中心对称的分子和晶体，β和χ(2)不为零，才能显示出二阶非线性光学效应。而中心对称的分子和晶体，则显示出三阶非线性光学效应。非线性光学材料的分类氧化物和铁电晶体(如铌酸锂、磷酸二氢钾和偏硼酸钡等)、Ⅲ--Ⅳ族半导体(如砷化镓等)有机聚合物材料。矿物氧化物和铁电单晶这类材料都有良好的光学透过和机械坚硬度．主要通过自然界中材料的筛选来满足不同实际需要。但是，这类材料往往难以批量生长出大单晶；其微观结构与宏观非线性光学性能关系的理论研究方面尚有未解决的问题给其新材料探索带来难度。非线性光学材料的研究主要集中在无机晶体材料上，有的已得到了实际应用，如磷酸二氢钾(KDP)、铌酸锂(LiNbO3)、磷酸钛氧钾(KTP)等晶体在激光倍频方面都得到了广泛的应用，并且正在光波导，光参量振荡和放大等方面向实用化发展。III—V族半导体材料它们在“限制材料”(confinedstructures)方面有很好的前景．III—V族半导体材料的所谓“带隙工程”(bandgapengineering)技术是通过调节材料的能隙，有效地改变电子的跃迁几率，从而控制材料的非线性光学响应。然而，这类材料在实际应用中存在共振条件限制：即激光运作波长通常在量子阱激子能级附近．有机非线性光学材料有机晶体在合成和生长方面的特性使这类材料最有机会成为可分子设计的光电功能料．而且，有机材料在快速非线性光学响应、大尺寸单晶生长三次谐波产生等方面都极富吸引力．有机非线性光学材料具有无机材料所无法比拟的优点：(1)有机化合物非线性光学系数要比无机材料高1—2个数量级；(2)响应时间快；(3)光学损伤阀值高；(4)可以根据要求进行分子设计。但也有不足之处：如热稳定性低、可加工性不好，这是有机NLO材料实际应用的主要障碍。典型的有机二阶非线性光学材料包括：(1)尿素及其衍生物；(2)硝基苯衍生物，如MAP(2，4一二硝基苯丙氨酸甲酯)、MNA(2一甲基4硝基苯胺)、CNA(2一氯4．硝基苯胺)等；(3)硝基吡啶氧类，如POM(3一甲基4．硝基吡啶氧)；(4)二苯乙烯类，如MMONS(3一甲基4．甲氧基4一硝基二苯乙烯)；