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1、第17卷第6期大学化学2002年12月知识介绍非线性光学和非线性光学材料吴林赵波(盐城师范学院化学系盐城224002)(南京师范大学化学系南京210097)摘要概述了非线性光学理论和非线性光学材料的研究简况,并对这一领域所遇到的问题作了简要的介绍与设想。1非线性光学简介非线性光学(nonlinearoptics,NLO)是现代光学的一个新领域,是研究在强光作用下物质的响应与场强呈现的非线性关系的科学,这些光学效应称为非线性光学效应。在众多的非线性光学效应中,倍频效应(又称二阶非线性光学效应)是最引人注目也是研究得最多的非线性效应
2、。1961年Franken等人利用红宝石激光器获得的相干强光(λ=694.3nm)透过石英晶体时,产生了λ=347.2nm的二次谐波,其光波频率恰好是基频光频率的两倍,即所谓的倍频效应;从而开创了二阶非线性光学及其材料的新领域。自发现倍频效应以来,非线性光学领域吸引了大批科技工作者,使这一学科得到了空前的发展,在30多年后的今天,非线性光学已经发展成为以量子电动力学、经典电动力学为基础,结合光谱学、固体物理学、化学等多门学科的综合性学科。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:P=ε0χE(1)其中ε0
3、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:23P=αE+βE+γE+⋯(2)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),它们是描述分子的非线性性质的重要物理量。当外电磁场E足够强时,这些高次项不能再被忽略,也就是说,极化强度与光电场不再是线性相关,而是非线性关系了。类似地,对于一个由多个原子或分子组成的
4、宏观样品来说,外部光电场作用产生的极化强度可表示为:(1)(2)2(3)3P=χE+χE+χE+⋯(3)(n)其中χ的含义与(2)式中的α、β、γ类似。在各非线性效应中,对二阶非线性效应的研究进行得最早最深入,应用开发也最为广泛。非线性光学的迅速发展源于非线性行为的物质载体———非线性光学材料的应用。非线性光学材料在光电通讯、光学信息处理和集成电路等方面有重要的应用。利用谐波产生,参量振荡与放大,光混频等效应制造的诸如混频器、光开关、光信息存储器、光限制器等元件采用光子21代替电子进行数据的采集、存储和加工,因为光子的开关速度可
5、达到fs级,比电子过程快几个数量级,因此在光频下工作可大大增加信息处理的带宽,如光盘的信息存储容量就得到了极大的提高。目前非线性光学的研究主要集中在两个方面:一是开拓新的理论,探究非线性光学效应的机理,为设计制造出性质优良的非线性光学新材料提供理论依据。二是新型优良的非线性光学材料的制备和应用,在这一领域已经有不少材料投入了实际应用。但是波段红移和非线性光学系数之间的矛盾,使得非线性光学材料的进一步优化遇到了极大的困难,这一问题的解决,必然会极大推动NLO材料的优化制备与实际应用,因而也成为非线性光学学科中迫切需要解决的焦点问题
6、。2非线性光学效应的理论研究随着非线性光学材料的迅速发展,新的问题和现象不断出现,这就要求不断有新的理论来解释这些现象,并为材料的设计和制备提供理论依据。对此,人们做了大量的工作,提出了若干理论模型,其中影响较大的有:非谐振子模型、键参数模型、双能级模型、键电荷模型和电荷转移模型等。我国科技工作者也提出了自己的理论,主要有:阴离子基团理论、双重基元结构模型、二次极化率矢量模型和簇模型理论。非谐振子模型是人们最早用经典的观点来解释光和物质相互作用的理论,其基本要点是质量为m的带电粒子在光波场的作用下做简谐振动,它受到的作用力F与偏
7、离平衡位置的距离d呈线性关系,当光波场强度很强时,F与d不再是线性关系而是非线性关系,根据非谐振子的运动方程和电极化强度可以推出非线性电极化率。利用这一模型,能够比较容易地理解倍频和混频现象的产生,它成功地解释了分子晶体和离子晶体的红外非线性光学效应,但利用这一模型来处理问题只能停留在定性水平上。Robinson等人提出的键参数模型,是建立在假定晶体的宏观倍频系数是单个化学键对其贡献的几何叠加的基础上的,它对共价型碘酸盐晶体进行了成功地解释,但对离子型晶体并不适用。1969年,Levine提出了键电荷模型,该模型认为键电荷q由两
8、部分组成:一是成键原子的成键轨道重迭贡献q0;二是离子完不完全屏蔽贡献q1。键电荷的动态特性决定了线性和非线性极化率,假定光波场使键电荷q发生位移Δr,可推得二阶非线性系数的Miller张量为:Δijk=Δijk(C)+Δijk(Eh)式中C为离子能隙,Eh为共
