非线性光学材料
一、概述
20 世纪 60 年代 , Franken 等人用红宝石激光束通过石英晶体 , 首次观察到倍频效应 , 从而宣告了非线性光学的诞生,非线性光学材料也随之产生。
定义:可以产生非线性光学效应的介质 (一、非线性光学效应
当激光这样的强光在介质传播时,出现光的相位、频率、强度、或是其他一些传播特 性都发生变化,而且这些变化与入射光的强度相关。
物质在电磁场的作用下 , 原子的正、负电荷中心会发生迁移 , 即发生极化 , 产生一诱导 偶极矩 p 。在光强度不是很高时 , 分子的诱导偶极矩 p 线性正比于光的电场强度 E 。然而 , 当光强足够大如激光时 , 会产生非经典光学的频率、相位、偏振和其它传输性质变化的新 电磁场。分子诱导偶极矩 p 就变成电场强度 E 的非线性函数 , 如下表示 : p = α E + β E2 + γ E3 + ⋯⋯
式中 α为分子的微观线性极化率 ; β为一阶分子超极化率 (二阶效应 ,γ为二阶分子超极 化率 (三阶效应 。即基于电场强度 E 的 n 次幂所诱导的电极化效应就称之为 n 阶非线性 光学效应。
对宏观介质来说 , p = x (1 E + x(2 E2 + x (3E3 + ⋯⋯
其中 x (1、x(2、x(3 ⋯ ⋯ 类似于 α、β、γ⋯ ⋯ , 表示介质的一阶、二阶、三阶等 n 阶 非线性系数。因此 , 一种好的非线性光学材料应是易极化的、具有非对称的电荷分布的、具有大的 π电子共轭体系的、非中心对称的分子构成的材料。
另外 , 在工作波长可实现相 位匹配 , 有较高的功率破环阈值 , 宽的透过能力 , 材料的光学完整性、均匀性、硬度及化学 稳定性好 , 易于进行各种机械、光学加工也是必需的。易于生产、价格便宜等也是应当考 虑的因素。
目前研究较多的是二阶和三阶非线性光学效应。 常见非线性光学现象有: ①光学整流。 E 2项的存在将引起介质的恒定极化项,产生恒定的极化电荷和相应的 电势差, 电势差与光强成正比而与频率无关, 类似于交流电经整流管整流后得到直流电压。 ②产生高次谐波。 弱光进入介质后频率保持不变。 强光进入介质后, 由于介质的非线 性效应, 除原来的频率 ω外, 还将出现 2ω、3ω、……等的高次谐波。 1961年美国的 P.A.弗兰肯和他的同事们首次在实验上观察到二次谐波。 他们把红宝石激光器发出的 3千瓦红 色(6943埃激光脉冲聚焦到石英晶片上,观察到了波长为 3471.5埃的紫外二次谐波。 若把一块铌酸钡钠晶体放在 1瓦、1.06微米波长的激光器腔内, 可得到连续的 1瓦二次谐 波激 光,波长为 5323埃。非线性介质的这种倍频效应在激光技术中有重要应用。
③光学混频。当两束频率为 ω1和 ω2(ω1>ω2的激光同时射入介质时,如果只考虑 极化强度 P 的二次项,将产生频率为 ω1+ω2的和频项和频率为 ω1-ω2的差频项。利用 光学混频效应可制作光学参量振荡器,这是一种可在很宽范围内调谐的类似激光器的光 源,可发射从红外到紫外的相干辐射。
④受激拉曼散射。 普通光源产生的拉曼散射是自发拉曼散射, 散射光是不相干的。 当 入射光采用很强的激光时, 由于激光辐射与物质分子的强烈作用, 使散射过程具有受激辐 射的性质, 称受激拉曼散射。 所产生的拉曼散射光具有很高的相干性, 其强度也比自发拉 曼散射光强得多。 利用受激拉曼散射可获得多种新波长的相干辐射, 并为深入研究强光与
物质相互作 用的规律提供手段。
⑤自聚焦。 介质在强光作用下折射率将随光强的增加而增大。 激光束的强度具有高斯 分布, 光强在中轴处最大,并向外围递减,于是激光束的轴线附近有较大的折射率,像凸 透镜一样光束将向轴线自动会聚, 直到光束达到一细丝极限 (直径约 5×10-6米 , 并可在 这细丝范围内产生全反射,犹如光在光学纤维内传播一样。
与自聚焦同样原理的另一种现象叫自散焦。
⑥光致透明。弱光下介质的吸收系数(见光的吸收与光强无关,但对很强的激光, 介质的吸收系数与光强有依赖关系, 某些本来不透明的介质在强光作用下吸收系数会变为 零。
(二、非线性光学材料种类
1、无机非线性光学晶体
2、有机非线性光学晶体
3、无机DMSP ]4 [ N H2Me2 ]2[ HSiFeMo11 040 ] ·3H2 0 (4对 -(二甲氨基 苯乙烯吡啶 甲基阳离子盐 , 其二阶非线性效应为 KDP 的 1.2 倍。通过溶胶 / 凝胶技术制备的主要优 点在于能在低于有机生色团的分解温度下 , 将无机玻璃与有机生色团进行键合 , 制备有机 / 无机杂化材料。 通过无机玻璃的刚性无定型二维结构和优良的高温稳定性来抑制生色团的 取向松弛 , 提高材料的热稳定性。 另外还具有良好的成膜性 , 是一类具有良好应用前景的材 料。纳米掺杂微晶半导体玻璃是应用最为广泛的三阶非线性光学材料。
三、总结与展望
在光电子技术飞速发展的今天 , 对光电材料的功能要求和需求日益增多。有人预测到 2010 年世界光子信息产业的产值将达 5 万亿美元。非线性光学材料作为一类具有光电功 能的材料 , 已在许多领域内得到应用 , 但大多为无机材料。 如光通信系统需要的光纤材料和 光的发射、控制、接收、显示、放大、振荡、倍频、调
制、电光与光电转换都要求相应的 电光和光学材料 , 其中铌酸锂和钽酸锂等氧化物单晶的非线性光学材料已经并将具有更加 广阔的市场前景。
另外 , 一些有机高聚物非线性光学材料由于其响应快速和具有较大的二阶、三阶非线 性极化系数而倍受关注 , 另外其分子可变性强、具有良好的机械性能和高的光损伤阈值 , 具有高容量、高速度、高密度和高频宽等潜力 , 因此也是很有希望得到实际应用的一类材 料。
还有金属有机配合物、有机 - 无机杂化非线性光学材料也兼具无机和有机材料的优点 , 通过进行合理的分子设计 , 亦有可能成为未来光电领域的极有应用和市场前景的材料。 我们相信 , 在不久的将来 , 就会有大量新型的性能优良的非线性光学材料被开发和研 制出来 , 并进一步推动光电信息技术和材料科学技术的发展。
