非线性光学及其现象

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1、非线性光学及其现象物质在强光如激光束的照射下，其光学性质发生了变化．而这种变化又反过来影响了光束的性质。研究这种光与物质的相互作用就是非线性光学的内容。非线性光学效应来源于分子与材料的非线性极化。在电磁场作用下物质中的电荷位移能力称为电极化率。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：其中ε0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：其中第一项为线性项，第二项以后为非线性项，α为

2、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)，对于一个由多个原子或分子组成的宏观样品来说，外部光电场作用产生的极化强度可表示为：其中χ(n)的含义与α．β、γ类似。χ(n)是(n+1)阶张量，由张量定义可知，当分子和分子集合体具有中心对称性时，n为偶数项的系数就为零，因此，只有那些非中心对称的分子和晶体，β和χ(2)不为零，才能显示出二阶非线性光学效应。而中心对称的分子和晶体，则显示出三阶非线性光学效应。非线性光学材料的分类氧化物和铁电晶体(

3、如铌酸锂、磷酸二氢钾和偏硼酸钡等)、Ⅲ--Ⅳ族半导体(如砷化镓等)有机聚合物材料。矿物氧化物和铁电单晶这类材料都有良好的光学透过和机械坚硬度．主要通过自然界中材料的筛选来满足不同实际需要。但是，这类材料往往难以批量生长出大单晶；其微观结构与宏观非线性光学性能关系的理论研究方面尚有未解决的问题给其新材料探索带来难度。非线性光学材料的研究主要集中在无机晶体材料上，有的已得到了实际应用，如磷酸二氢钾(KDP)、铌酸锂(LiNbO3)、磷酸钛氧钾(KTP)等晶体在激光倍频方面都得到了广泛的应用，并且正在光波导，光参量振

4、荡和放大等方面向实用化发展。III—V族半导体材料它们在“限制材料”(confinedstructures)方面有很好的前景．III—V族半导体材料的所谓“带隙工程”(bandgapengineering)技术是通过调节材料的能隙，有效地改变电子的跃迁几率，从而控制材料的非线性光学响应。然而，这类材料在实际应用中存在共振条件限制：即激光运作波长通常在量子阱激子能级附近．有机非线性光学材料有机晶体在合成和生长方面的特性使这类材料最有机会成为可分子设计的光电功能料．而且，有机材料在快速非线性光学响应、大尺寸单晶生长

5、三次谐波产生等方面都极富吸引力．有机非线性光学材料具有无机材料所无法比拟的优点：(1)有机化合物非线性光学系数要比无机材料高1—2个数量级；(2)响应时间快；(3)光学损伤阀值高；(4)可以根据要求进行分子设计。但也有不足之处：如热稳定性低、可加工性不好，这是有机NLO材料实际应用的主要障碍。典型的有机二阶非线性光学材料包括：(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)硝基吡啶氧类，如POM(3一甲基4．硝

6、基吡啶氧)；(4)二苯乙烯类，如MMONS(3一甲基4．甲氧基4一硝基二苯乙烯)；(5)查耳酮类，如BMC(4一溴4一甲氧基查耳酮)；(6)苯甲醛类，如MHBA(3一甲氧基4．羟基苯甲醛)；(7)有机盐类。高分子非线性光学材料和金属有机非线性光学材料就是针对有机NLO材料的热稳定性低、可加工性不好等不足应运而生的。高分子NLO材料在克服有机材料的加工性能不好和热稳定性低等方面是十分有效的，若在非线性效应方面再得以优化，将是一类很有前景的新材料。非线性光学材料的实用化应具备以下几个条件；①非线性极化率较大，转换率

7、高；②光损伤阈值高；③光学透明而且均一的大尺寸晶体；④在激光波段吸收较小，⑤易产生位相匹配，⑥化学及热稳定性较好，不易吸潮⑦制备工艺简单，价格使宜。高分子非线性光学材料的特点概括为以下几点：①响应速度快，低于10-12秒②非常大的非共振光学效应；③低的直流介电常数，使器件要求小的驱动电压；④吸收系数低，仅为无机晶体及化合物半导体的万分之一左右；⑤优良的化学稳定性及结构稳定性，系统不需要环境保护及低温设备⑥激光损伤阈值高；⑦机械性能好且易于加工等等。非线性光学效应的理论非线性光学材料的理论模型有：非谐振子模型、键

8、参数模型、双能级模型、键电荷模型电荷转移模型等。阴离子基团理论、双重基元结构模型、二次极化率矢量模型簇模型理论。二阶非线性光学材料具有较大微观倍频系数β的有机分子一般具有较大的π共轭体系，体系两端分别有推电子基团和拉电子基团(D-π-A型双受体结构)，形成分子内的电荷转移；晶体的宏观倍频系数χ(2)是组成这一晶体的所有分子微观倍频系数的矢量和，因此，有些有机分子虽然β值很大，但在形成晶