有机非线性光学材料

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1、有机非线性光学材料杨韶辉摘要：该文简要介绍非线性光学材料及其特性，阐述了有机非线性光学材料的分类及其应用，着重对各类有机低分子非线性光学材料进行分类讨论。关键词：有机非线性光学材料，有机低分子非线性光学材料一、非线性光学材料概述1961年,Franken[1]首次发现了若干材料的激光倍频现象。因非线性光学的发展与激光技术的发展密切相关,故这种现象的发现,不仅标志着非线性光学的诞生,而且强有力地推动了非线性光学材料科学的发展。科技工作者之所以对非线性光学感兴趣,主要有以下原因:可利用非线性光学效应

2、做成某种器件,例如变频器,从而有可能提供从远红外到亚毫米波、从真空紫外到X射线的各种波段的相干光源;由于某些非线性光学效应,例如双光子吸收、受激喇曼散射等,会引起入射到介质中的光束的衰减,从而限制了通过介质的光通量,又如自聚焦现象会引起入射光束的畸变,强度太强时,甚至会导致介质的不可逆损伤,这就从实际向人们提出了急需解决的问题;由于非线性光学效应是通过强激光与组成非线性介质的原子或分子的相互作用体现的,因而非线性光学现象是获得这些原子或分子的微观性质信息的一种手段。正因非线性光学的诸多特性,使人

3、们对具此类特性的材料研究日益深化,并正不断地被应用到光通信技术等各个方面。尤其多年来对有机材料的非线性光学特性研究,为其应用提供了理论依据,如酞菁类化合物,它的非线性系数高、响应快、光损伤阈值高和化学稳定等特性,因而有着无法估量的非线性光学应用前景[2,3]。在线性光学范围内,描述电磁辐射在介质中传播规律的麦克斯韦方程组是一组线性的微分方程,它们只包括场强矢量的一次项。当单一频率的辐射入射到非吸收介质时,除喇曼散射外,其频率是不会发生变化的。如果不同频率的光同时入射到介质时,它们彼此之间不产生耦

4、合,不可能产生新的频率,若以数学形式表示时,具有线性的关系。但在激光出现后,介质在强激光作用下产生的电极化强度P与入射辐射强度E的关系,不是简单的线性关系。从而引起非线性光学效应。它反映了介质与强激光束相互作用的基本规律。非线性光学是由于构成物质的原子核及其周围电子在电磁波场的作用下产生非谐振性运动的结果[4]。一般而言,要寻找具有好的非线性光学性质的材料,其关键性能指标是:(1)非线性系数高;(2)响应时间短;(3)光损伤阈值高[4]。产生非线性光学效应的首要条件取决于材料。一般来说,无论从材

5、料的组成,还是结构,就种类而言,大致分两类:无机非线性光学材料和有机非线性光学材料。非线性光学材料人们已经找到很多，按其非线性效应来分可以分为二阶非线性光学材料和三阶非线性光学材料二阶非线性光学材料主要有：（1）无机倍频材料如三硼酸锂（LBO）、铌酸锂（LiNbO3）、碘酸短（LiIO3，KDP）、磷酸氧钛钾（KTiOPO4，KTP）、β-偏硼酸钡（β-BaB2O4，BBO）、α石英等（2）半导体材料有硒化镉（CdSe）、硒化镓（GaSe）、硫镓银、硒镓银、碲（Te）、硒（Se）等（3）有机倍频

6、材料有尿素、L-磷酸精胺酸（LAP）、醌类、偏硝基苯胺、2-甲苯-4-硝基苯胺、羟四甲基四氢吡咯基硝基吡啶、氨基硝基二苯硫醚、硝苯基羟基四氢吡咯以及它们的衍生物（4）金属有机化合物，如二氯硫脲合镉、二茂铁类化合物、苯基或吡啶基过渡金属羰基化合物（5）高聚物，如二元取代聚乙炔等具有大π共轭体系的聚合物高聚物的非线性光学材料的合成及研究已成为一个热点三阶非线性光学材料的研究目前主要集中在分子中具有容易移动的π电子体系的有机染料和高聚物上：（1）有机染料，有共轭染料、醌类染料、酞青类等（2）高聚物，如

7、聚双乙炔、聚对苯基苯并双噻唑、聚苯胺、反式聚乙炔。无机非线性光学材料虽有大的非线性系数,但响应时间长[5],制备工艺较困难,可选择种类单一等,目前进展不令人十分满意。而具有非线性光学性质的有机材料种类繁多,响应时间短,而且许多有机晶体的非线性光学系数比无机晶体的大1-2个数量级,有广阔的应用前景。近来,具有非线性光学性质的有机聚合物和共轭有机分子材料引起科技工作者的广泛关注[6]。它的迅速发展是有其特点决定的:有机合成提供了有机分子结构的多变性;可把有机物质的光学非线性活性与其分子结构联系起来,

8、从而有望进行分子设计与合理的“剪裁”;分子材料的宏观非线性光学响应可用个别分子的电极化率来予以说明,使材料工程设计有可能进行;有机分子组成的材料的形态多样性为技术应用提供了大量的机会[7]。具有上述特性的有机材料,按其链的长短大致又可分两大类:即有机聚合物非线性光学材料和非聚合物的非线性光学材料。其种类庞大,限于篇幅,不一一累述,均可参照相关文献[6～7]。一般具有共轭链的聚合物可以随着其主链和侧链的变化而改变,如聚乙炔、聚二炔等有大的非共振三阶非线性极化率和超快的非线性光学响应时间,可用于全光