非線性光學(xué)及其現(xiàn)象

非線性光學(xué)及其現(xiàn)象非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!物質(zhì)在強(qiáng)光如激光束的照射下，其光學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化．而這種變化又反過來影響了光束的性質(zhì)。研究這種光與物質(zhì)的相互作用就是非線性光學(xué)的內(nèi)容。非線性光學(xué)效應(yīng)來源于分子與材料的非線性極化。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!在電磁場(chǎng)作用下物質(zhì)中的電荷位移能力稱為電極化率。當(dāng)較弱的光電場(chǎng)作用于介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)的極化強(qiáng)度P與光電場(chǎng)E成線性關(guān)系：其中ε0為真空介電常數(shù)χ為介質(zhì)的線性極化系數(shù)。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!對(duì)于一個(gè)由多個(gè)原子或分子組成的宏觀樣品來說，外部光電場(chǎng)作用產(chǎn)生的極化強(qiáng)度可表示為：其中χ(n)的含義與α．β、γ類似。χ(n)是(n+1)階張量，由張量定義可知，當(dāng)分子和分子集合體具有中心對(duì)稱性時(shí)，n為偶數(shù)項(xiàng)的系數(shù)就為零，因此，只有那些非中心對(duì)稱的分子和晶體，β和χ(2)不為零，才能顯示出二階非線性光學(xué)效應(yīng)。而中心對(duì)稱的分子和晶體，則顯示出三階非線性光學(xué)效應(yīng)。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!礦物氧化物和鐵電單晶這類材料都有良好的光學(xué)透過和機(jī)械堅(jiān)硬度．主要通過自然界中材料的篩選來滿足不同實(shí)際需要。但是，這類材料往往難以批量生長出大單晶；其微觀結(jié)構(gòu)與宏觀非線性光學(xué)性能關(guān)系的理論研究方面尚有未解決的問題給其新材料探索帶來難度。非線性光學(xué)材料的研究主要集中在無機(jī)晶體材料上，有的已得到了實(shí)際應(yīng)用，如磷酸二氫鉀(KDP)、鈮酸鋰(LiNbO3)、磷酸鈦氧鉀(KTP)等晶體在激光倍頻方面都得到了廣泛的應(yīng)用，并且正在光波導(dǎo)，光參量振蕩和放大等方面向?qū)嵱没l(fā)展。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!有機(jī)非線性光學(xué)材料有機(jī)晶體在合成和生長方面的特性使這類材料最有機(jī)會(huì)成為可分子設(shè)計(jì)的光電功能料．而且，有機(jī)材料在快速非線性光學(xué)響應(yīng)、大尺寸單晶生長三次諧波產(chǎn)生等方面都極富吸引力．非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!典型的有機(jī)二階非線性光學(xué)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)硝基吡啶氧類，如POM(3一甲基4．硝基吡啶氧)；(4)二苯乙烯類，如MMONS(3一甲基4．甲氧基4一硝基二苯乙烯)；(5)查耳酮類，如BMC(4一溴4一甲氧基查耳酮)；(6)苯甲醛類，如MHBA(3一甲氧基4．羥基苯甲醛)；(7)有機(jī)鹽類。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!高分子非線性光學(xué)材料和金屬有機(jī)非線性光學(xué)材料就是針對(duì)有機(jī)NLO材料的熱穩(wěn)定性低、可加工性不好等不足應(yīng)運(yùn)而生的。高分子NLO材料在克服有機(jī)材料的加工性能不好和熱穩(wěn)定性低等方面是十分有效的，若在非線性效應(yīng)方面再得以優(yōu)化，將是一類很有前景的新材料。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!高分子非線性光學(xué)材料的特點(diǎn)概括為以下幾點(diǎn)：①響應(yīng)速度快，低于10-12秒②非常大的非共振光學(xué)效應(yīng)；③低的直流介電常數(shù)，使器件要求小的驅(qū)動(dòng)電壓；④吸收系數(shù)低，僅為無機(jī)晶體及化合物半導(dǎo)體的萬分之一左右；⑤優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，系統(tǒng)不需要環(huán)境保護(hù)及低溫設(shè)備⑥激光損傷閾值高；⑦機(jī)械性能好且易于加工等等。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!二階非線性光學(xué)材料具有較大微觀倍頻系數(shù)β的有機(jī)分子一般具有較大的π共軛體系，體系兩端分別有推電子基團(tuán)和拉電子基團(tuán)(D-π-A型雙受體結(jié)構(gòu))，形成分子內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移；晶體的宏觀倍頻系數(shù)χ(2)是組成這一晶體的所有分子微觀倍頻系數(shù)的矢量和，因此，有些有機(jī)分子雖然β值很大，但在形成晶體時(shí)由于分子間偶極一偶極的靜電作用形成了有中心對(duì)稱的晶體空間群，分子在晶體中的排列使偶極相互抵消，所有分子的微觀倍頻系數(shù)矢量和趨于零，最后顯示出的χ(2)為零。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!一般說來，二階非線性光學(xué)材料的設(shè)計(jì)原則為：1)設(shè)計(jì)和選擇基態(tài)偶極矩小，激發(fā)態(tài)偶極矩大的分子，吸、供電基不要選擇電負(fù)性相差懸殊的基團(tuán)；2)降低分子的中心對(duì)稱性，引入手性原子；3)分子內(nèi)引入氫鍵的基團(tuán)使分子在氫鍵的作用下定向、非中心對(duì)稱排列；4)分子成鹽，鹽中分子間庫侖力的作用要大于偶極作用，陽離子分隔屏蔽了有極性的發(fā)色團(tuán)之間的作用。成鹽提高二階非線性光學(xué)系數(shù)，尤其適用于極性大的分子；5)形成包結(jié)絡(luò)合物。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!對(duì)于具有共軛結(jié)構(gòu)的分子，給體--受體強(qiáng)度越大，越有利于體系形成電荷轉(zhuǎn)移的共振態(tài)，擴(kuò)大π電子的流動(dòng)范圍，使分子在外場(chǎng)中更易發(fā)生分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移而有利于增強(qiáng)分子的微觀倍頻效應(yīng)。共軛長度，共軛骨架及其共面性等因素對(duì)分子的非線性極化率都有影響。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!2、x形二維電荷轉(zhuǎn)移分子非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!3、Y形二維分子非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!二階非線性光學(xué)高分子材料一種分子和材料能夠顯示二階非線性光學(xué)響應(yīng)的基本結(jié)構(gòu)條件是它們必須不存在對(duì)稱中心。眾所周知，普通的聚合物是一種無定形結(jié)構(gòu)的材料，為使它們能滿足此條件，可以用駐極體制備的方法，在Tg以上施加直流高電壓，使偶極子沿電場(chǎng)方向取向，然后在電場(chǎng)下冷卻下來偶極子取向被凍結(jié)。這就是所謂電場(chǎng)極化法。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!聚合物的極化方法有許多。常用的方法有平板電場(chǎng)極化，電暈放電極化、全光極化光誘導(dǎo)極化。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!極化聚合物的研究始終圍繞3個(gè)方面的問題來進(jìn)行，即對(duì)材料非線性的來源與其物理過程的了解、材料的潛在應(yīng)用和開發(fā)新的高性能體系。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!1．高分子—生色團(tuán)低分子的賓主復(fù)合物非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!2．生色基功能化的高分子為了提高高分子—有機(jī)生色基分子的復(fù)合物的穩(wěn)定性，一個(gè)重要的方法是將生色基分子與高分子主鏈結(jié)合在一起。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!3．LB膜的高分子化非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!一、基本概念非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!光折變效應(yīng)有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：弱激光響應(yīng)和非局域響應(yīng)。前者指其效應(yīng)與激光強(qiáng)度無明顯相關(guān)性，用弱激光如毫瓦量級(jí)功率的激光來照射光折變材料，只需足夠長的時(shí)間，也會(huì)產(chǎn)生明顯的光致折射率變化。一束弱光可以使電荷—個(gè)個(gè)地移動(dòng)．從而逐步建立起強(qiáng)電場(chǎng)。后者指通過光折變效應(yīng)建立折射率相位柵不僅在時(shí)間響應(yīng)上顯示出慣性，而且在空間分布上其響應(yīng)也是非局域的，折射率改變的最大處并不對(duì)應(yīng)光輻照最強(qiáng)處。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!1、以惰性聚合物為主體的摻雜體系2、以電光聚合物為主體的摻雜體系3、以電荷輸運(yùn)聚合物為主體的摻雜體系4、全功能(單組分)體系非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!理想的光限幅效應(yīng)可描述為，(a)給出了與入射光強(qiáng)的關(guān)系，當(dāng)入射光強(qiáng)超過闡值后，其輸出光強(qiáng)將保持為常數(shù)；(b)給出了樣品的透過率與入射光強(qiáng)的關(guān)系，即最初的恒定透過率隨入射光強(qiáng)的增加將迅速減小到很低。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!當(dāng)作用于介質(zhì)的光為強(qiáng)光(如激光)時(shí)，介質(zhì)的極化將是非線性的，在偶極近似的情況下，原子或分子的微觀極化關(guān)系可表示為：其中項(xiàng)為線性項(xiàng)，第二項(xiàng)以后為非線性項(xiàng)，α為分子的線性光學(xué)系數(shù)(一階非線性光學(xué)系數(shù))，β、γ分別為分子的二階和三階非線性光學(xué)系數(shù)(又稱分子的二階或三階極化率)，非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!非線性光學(xué)材料的分類氧化物和鐵電晶體(如鈮酸鋰、磷酸二氫鉀和偏硼酸鋇等)、Ⅲ--Ⅳ族半導(dǎo)體(如砷化鎵等)有機(jī)聚合物材料。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!III—V族半導(dǎo)體材料它們?cè)凇跋拗撇牧稀?confinedstructures)方面有很好的前景．III—V族半導(dǎo)體材料的所謂“帶隙工程”(bandgapengineering)技術(shù)是通過調(diào)節(jié)材料的能隙，有效地改變電子的躍遷幾率，從而控制材料的非線性光學(xué)響應(yīng)。然而，這類材料在實(shí)際應(yīng)用中存在共振條件限制：即激光運(yùn)作波長通常在量子阱激子能級(jí)附近．非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!有機(jī)非線性光學(xué)材料具有無機(jī)材料所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：(1)有機(jī)化合物非線性光學(xué)系數(shù)要比無機(jī)材料高1—2個(gè)數(shù)量級(jí)；(2)響應(yīng)時(shí)間快；(3)光學(xué)損傷閥值高；(4)可以根據(jù)要求進(jìn)行分子設(shè)計(jì)。但也有不足之處：如熱穩(wěn)定性低、可加工性不好，這是有機(jī)NLO材料實(shí)際應(yīng)用的主要障礙。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!非線性光學(xué)材料的實(shí)用化應(yīng)具備以下幾個(gè)條件；①非線性極化率較大，轉(zhuǎn)換率高；②光損傷閾值高；③光學(xué)透明而且均一的大尺寸晶體；④在激光波段吸收較小，⑤易產(chǎn)生位相匹配，⑥化學(xué)及熱穩(wěn)定性較好，不易吸潮⑦制備工藝簡單，價(jià)格使宜。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁!非線性光學(xué)效應(yīng)的理論非線性光學(xué)材料的理論模型有：非諧振子模型、鍵參數(shù)模型、雙能級(jí)模型、鍵電荷模型電荷轉(zhuǎn)移模型等。陰離子基團(tuán)理論、雙重基元結(jié)構(gòu)模型、二次極化率矢量模型簇模型理論。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁!非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁!因此，有機(jī)二階非線性光學(xué)晶體應(yīng)具備下述條件：1)非中心對(duì)稱的晶體結(jié)構(gòu)：2)為彌補(bǔ)有機(jī)晶體的轉(zhuǎn)換效率不高的弱點(diǎn)，χ(2)達(dá)到10-8～10-9esu始可考慮應(yīng)用；3)在所要求波長范圍內(nèi)吸收要??；4)滿足位相匹配條件：ω3n(ω3)=ω1n(ω1)+ω2n(ω2)；5)足夠大的晶體尺寸和優(yōu)異的光學(xué)質(zhì)量。另外，將非線性光學(xué)材料做成器件，一般來說，它要經(jīng)受250℃的短時(shí)高溫和具有100％左右的承受加工和操作的長時(shí)間熱穩(wěn)定性。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁!典型的二階非線性光學(xué)生色團(tuán)分子有非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁!常用的電子給予體是：氨基、氧、硫。而常用的電子接受體是：硝基、腈基、羰基、砜、氨磺酰。在相同受、給體的情況下，受、給體強(qiáng)度順序：非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁!非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁!二維電荷轉(zhuǎn)移分子1、Λ形分子非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁!非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁!4、八極分子非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁!由于這種材料的非線性源于生色團(tuán)的偶極在電場(chǎng)作用下的極化取向，因此被稱之為“極化聚合物”非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁!非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁!二階非線性光學(xué)高分子材料大致可分為三類：(1)高分子與生色基小分子的主客復(fù)合物，(2)生色基功能化的高分子；(3)LB膜的高分子化。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第49頁!賓主型非線性光學(xué)材料大致可分為三種類型：(1)透明的非晶高分子與二階非線性光學(xué)有機(jī)低分子的復(fù)合物.(2)第二種情況是液晶高分子為主體，摻雜生色小分子(3)第三種情況是摻雜的SHG低分子與聚合物相互作用，生成非中心對(duì)稱的晶體。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第50頁!非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第51頁!非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第52頁!LB膜有以下幾種類型：(1)單分子膜，(2)交互累積膜(異式Y(jié)型)；(3)X型(或Z型)累積膜；(4)面內(nèi)取向累積膜。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第53頁!光折變聚合物當(dāng)一種材料同時(shí)具有光電導(dǎo)和線性電光特性時(shí)，就會(huì)顯示光折變效應(yīng)，即其折射率即使在很弱的激光照射下也會(huì)產(chǎn)生很大的空間調(diào)制。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第54頁!①載流子的產(chǎn)生過程。在相干光的照射下，物質(zhì)的亮區(qū)吸收了光能，導(dǎo)致電子和空穴的分離而產(chǎn)生電荷載流子。②載流子的輸運(yùn)過程。生成的載流子由于電荷密度梯度引起的擴(kuò)散或外場(chǎng)作用下的漂移而形成在材料中的傳輸(聚合物材料中往往是后者)。③內(nèi)部空間電荷場(chǎng)的形成過程。通過載流子被材料中的陷阱俘獲及再釋放、再俘獲等一系列過程，亮區(qū)中可被激發(fā)的電荷已耗盡且都轉(zhuǎn)移到暗區(qū)中去了，在物質(zhì)中產(chǎn)生了一個(gè)與光強(qiáng)空間分布相對(duì)應(yīng)的電荷空間分布，從而形成相應(yīng)的內(nèi)部空間電荷場(chǎng)。④折射率光柵的形成過程。在此空間電荷場(chǎng)的作用下，通過電光或雙折射效應(yīng)，在物質(zhì)內(nèi)形成折射率在空間的調(diào)制變化。根據(jù)靜電泊松方程就可以形成一個(gè)正弦變化的折射率光柵，該光柵與初始光波相比有θ度的相移角。非線性光學(xué)及其現(xiàn)象共60頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第55頁!二、聚合物光折變材料的種類顯示光折變效應(yīng)的材料必須包括下列組分：在光