2022-2023學(xué)年高二物理競(jìng)賽課件：非線性光學(xué)效應(yīng)的理論

非線性光學(xué)效應(yīng)的理論非線性光學(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。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。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(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)間熱穩(wěn)定性。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。典型的二階非線性光學(xué)生色團(tuán)分子有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：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(zhǎng)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。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)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(jiǎn)單，價(jià)格使宜。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