功能高分子化学课件非线性光学-光电转换材料

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1、第三节非线性光学有机高分子材料3.1非线性光学材料的一些基本概念3.1.1非线性光学效应非线性光学效应起源于激光(强光场)下，光对介质的非线性极化作用。当分子(或基团)受强光场作用时会产生极化，其诱导极化强度µ可表示为：µ＝µ0＋αε＋βε2＋γε3＋…其中µ0为分子(或基团)的固有偶极矩，ε为局域电场强度，α为分子的线性极化率，β和γ即分别为非线性二阶、三阶分子极化率(又称为一阶、二阶分子超极化率)。8/17/20211第三节非线性光学有机高分子材料对于宏观的物质体系，在强激光的作用下，介质的电极化强度P也不再与

2、入射光的场强E成简单的线性关系，材料的介质电极化强度P可表示为：P=P0+χ（1）E+χ（2）EE+χ（3）EEE+…其中P0为介质的固有电极化强度；E为入射光的场强(电场强度),χ（1）为介质的线性极化率；χ（2），χ（3），…分别为二阶、三阶、…非线性极化率，对应着3阶、4阶、…张量，表现出非线性光学效应。8/17/20212第三节非线性光学有机高分子材料对于普通光源，由于光的电场强度以及内部的局域场强相比较弱，只用线性项便足以解释光的折射、双折射、反射和吸收等经典的光学现象(非线性的高次项可忽略)。而在强激光

3、作用下，由于光的电场强度极大，非线性项就不能忽略。一些非线性项的作用，如二次项产生倍频光，三次项产生三倍频光等，便可以实际观测到。这些与强激光有关的非线性项产生的效应，称为非线性光学（nonlinearoptic，NLO）效应。其中尤其以χ（2）项和χ（3）项最为重要，能产生较大二阶或三阶非线性光学效应的介质材料就称为二阶或三阶非线性光学材料。8/17/20213第三节非线性光学有机高分子材料3.1.2非线性光学材料具有非线性光学效应的介质称为非线性光学材料。非线性光学材料与其他材料不同，其非线性形态在光或其他能量

4、穿越时会经历许多令人感兴趣的变化，这些变化又会使穿越的光发生转换。非线性光学材料中的电子和电荷，或者特别容易被极化，或者在能量的行波影响下特别容易被置换，而表现出较强的非线性效应。非线性光学材料按其非线性效应来分可以分为二阶、三阶和高阶非线性光学材料。由于三阶以上非线性光学材料效应相对较弱依次相差六个数量级，且在目前离实用化还有很大的距离，所以当前研究主要集中在二阶及三阶非线性光学材料上。8/17/20214第三节非线性光学有机高分子材料二阶非线性光学材料大致可分为三类：1、氧化物和铁电晶体，如铌酸锂，石英；2、Ⅲ

5、-Ⅳ族半导体；3、有机聚合物材料。早期研究主要集中在无机晶体材料，但近期非线性光学聚合物材料的研究是一个非常活跃的领域。研究表明，有机及聚合物作为非线性光学材料具有以下明显优于无机晶体的特点：响应速度快（亚皮秒甚至飞秒）、介电常数低、损伤阈值高、非线性响应快、价格低廉、容易合成和裁减、与现有微电子平面工艺兼容、可在各种衬底上制备器件等。另外，用有机聚合物制作多层材料可以达到垂直集成，是现有铌酸锂等无机材料所做不到的。这些优点使得用有机聚合物制备波导形式的电光调制器和倍频器件成为有现实可能性的目标。8/17/2021

6、5第三节非线性光学有机高分子材料非线性光学材料的应用主要有以下两个方面：1、进行光波频率的转换，即通过所谓倍频、和频、差频或混频，以及通过光学参量振荡等方式，拓宽激光波长的范围，以开辟新的激光光源。2、进行光信号处理，如进行控制、开关、偏转、放大、计算、存储等。非线性光学材料的广泛应用以及潜在的应用前景已经促使了一个新兴的高技术产业——光电子工业的新发展，它包括光通信、光计算、光信息处理、光存储及全息术、激光加工、激光医疗、激光印刷、激光影视、激光仪器、激光受控热核反应与激光分离同位素、激光制导、测距与定向能武器等

7、方面。8/17/20216第三节非线性光学有机高分子材料3.2聚合物二阶非线性光学材料研究对于二阶非线性光学效应应用的有机分子来说，迄今普遍重视的多数是强电子给体和受体的基团通过大л共轭体系作为“桥”结构连接的“一维”电荷转移分子，也称之为生色团分子，其结构通式可写成Ｄ-л-Ａ。其中D和A分别表示电子给体和受体基团。这样的生色团分子在电场作用下显然会表现出各向异形以及微观上的二阶非线性光学效应。但如果在聚合物材料中所引入的生色基团为任意无规分布，或者生色基团形成中心对称晶体堆砌时，整个聚合物材料仍具有宏观中心对称结

8、构而不会产生宏观上的二阶非线性光学效应。8/17/20217第三节非线性光学有机高分子材料聚合物材料的结构是无序的，为了要产生宏观二阶非线性光学效应，就必须对它进行极化，人为制造一个宏观上非中心对称结构。显然，这种结构是热力学的介稳态，这种强制取向总是要向热力学平衡的无序态松弛的，其松弛速度取决于聚合物的玻璃化转变温度。对于实用来说，这样的松弛应该尽力减慢（