手性非线性光学材料的模型与结构理论研究进展

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1、科技信息高校理科研究手性非线性光学材料的模型与结构理论研究进展信阳师范学院物理电子工程学院张新伟［摘要］手性分子用于二阶NLO材料的研究，有望解决传统材料的热稳定性、透明性等问题，并在非线性活性方面得到改善。本文分析了手性非线性光学材料的特点，综述了近些年来有关手性二阶非线性光学研究的经典模型理论和结构手性理论。［关键词］手性二阶非线性光学材料手性（chirality）是物质的对称元素缺失的一种特性。从数学术语上NLO非零分量，由表1列出。表中最后一行的分量χXYZ、χYXZ、χYZX和χXZY说，

2、就是其结构不具有中心对称、平面对称和旋转反轴。宏观上，如果一为手性表面所特有的，被称为手性分量，其他分量被称为非手性分量。个物体通过任何实际的空间操作都不能与其镜像物体相重合，我们就在线性光学的光学活性研究中认为，旋光现象来自于电偶极矩和磁偶称该物体具有手性。比如人的左手和右手，虽然相似而非完全相同，它极矩的耦合。然而在非线性光学中，即使不考虑磁偶极矩，表1中手性们不能通过平移或旋转等任意对称操作使二者重合。表面的分量χXYZ、χYXZ、χYZX和χXZY也可以导致旋光。这说明手性材料的手性材料是指

3、由手性分子构成的宏观上连续的材料或者是由非手非线性光学活性有明显不同于线性光学活性的特点。性分子通过一定方式排列成的宏观上具有手性的材料。手性分子大多C∞是结构上具有手性的有机分子[1]。生命体系中构成蛋白质的20种氨基C∞Z酸分子中，除了甘氨酸无手性之外其它都具有左手性结构。常见的手性ZY-Zmirrorplane分子还有联萘和螺烯，如图1，c、c’和d、d’分别互为对映异构体。它们的对映体之间虽然具有很多相似性，但与光波相互作用时，却有着本质YY的区别。比如它们可以使入射的偏振光的偏振面发生不同

4、方向的旋转，X-ZmirrorplaneXX而在强光作用下,这种差异会被强化,并呈现与光强有关的非线性特征,通常表现为非线性旋光，如SHG-CD等。这些现象引起了物理学家们的A.具有C∞v对称性的非手性表面B.具有C∞对称性的手性表面极大兴趣。物质具有旋光性早在一百多年前就已被发现,但将旋光效应图3非手性和手性表面与非线性光学结合起来却是近十几年的事。Verbiest等人[2]对手性薄膜表1电偶极近似下手性和非手性表面二阶NLO系数χ的非零分量材料的二次谐波产生过程研究发现，手性分子的非线性旋光比传

5、统的AchiralsurfaceChiralsurface线性旋光灵敏得多；因此，SHG-CD及其他非线性光学特征成为了探测表面手性结构的有利工具。ZZZZZZTensorcomponentsZXX=ZYYZXX=ZYYχijkXXZ=YYZ=YZY=XZXXXZ=YYZ=YZY=XZXXYZ=-YXZ=-YZX=XZYMaki和Persoons从手性分子的螺旋单电子极化模型出发[6]，用经典图1手性分子理论推得手性分量χXYZ与分子的一阶超极化率分量的关系为：影响非线性系数的因素很多,就二阶非线性

6、而言,材料的非中心对χXYZ=Ns(2cos2θ-sin2θ)(βxyz-βyxz)称结构是产生大非线性系数的主要因素，而手性分子本身的非对称性4可增加形成非中心对称结构的几率,并增加材料的热稳定性。Elshocht其中，Ns为分子数密度，θ为螺旋轴与手性表面法线之间的夹角，等[3]对一类手性联萘螺旋聚合物的LB模进行研究，通过在聚合物的生xyz为分子内坐标。由上式和表1可以看出，在电偶极近似下决定薄模色团上加入π共轭桥链和电子推拉基团优化非线性系数。这种聚合物材料非线性光学活性的二阶NLO系数χX

7、YZ、χYXZ和χXZY只和分子的一阶中由于手性联萘的存在，使生色团沿某一方向排列时形成了螺旋型的超极化率βxyz和βyxz有关，所以手性分子的βxyz分量在薄模材料的二阶三维结构。形成这种结构的直接结果就是，在很大程度上增加了材料的NLO响应中起着重要作用。热稳定性,而且，实验数据表明，该聚合物也能保持较大的非线性光学系1.经典模型理论数。1.1螺旋单电子模型手性材料除了可以由手性分子组成也可以由非手性分子通过手性寻找高性能的非线性光学材料必须要了解它的微观起源及其规律排列而成。Singer等[4

8、]对Λ型二维电荷转移分子的实验和理论研究表性，这也是进行分子设计的出发点。很多手性分子的结构是螺旋性的，明，当非手性的Λ型分子排列成如图2所示的手性结构时，将显示出其离域化电子由于结构的制约而沿着弯曲路径运动，这在经典力学中良好的二阶非线性光学性能。可以用一个宏观的螺旋模型（图4）来描述：一个电子被束缚在螺旋轨迹上运动，在笛卡儿坐标系中把z轴作为分子的取向轴，电子在任意时刻的位置用螺矩ζ，回旋半径r和旋转角φ来表示。ψzψζr图2非手性分子的手性排列模型yxAbe等人