非線性光學(xué)材料及其性能參數(shù),光學(xué)論文

非線性光學(xué)材料及其性能參數(shù),光學(xué)論文摘要：闡述了非線性光學(xué)理論和材料的發(fā)展大概情況。介紹了應(yīng)用于激光防護(hù)的非線性光限幅效應(yīng)。最后總結(jié)了表征非線性光學(xué)性能優(yōu)異的基本參數(shù),為設(shè)計(jì)合成快速響應(yīng)的非線性光學(xué)材料并應(yīng)用于光限幅領(lǐng)域提供價(jià)值指導(dǎo)。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：非線性光學(xué);光限幅;Abstract：Inthispaper,thedevelopmentofnonlinearopticaltheoryandnonlinearopticalmaterialsaredescribed.Meanwhile,thenonlinearopticallimitingeffectbeenappliedtolaserprotectionisintroduced.Finally,wesummarizethevitalparametersforcharacterizingthenonlinearopticalmaterialsproperties,whichprovidevaluableguidanceforthedesignandsynthesisoffastresponsenonlinearopticalmaterialsandappliedtothefieldofopticallimiting.Keyword：nonlinearoptical;opticalpowerlimiting;1.非線性光學(xué)簡(jiǎn)介1960年美國(guó)休斯公司發(fā)明第一臺(tái)紅寶石激光器之后,1961年弗朗肯小組成功地觀察到紅寶石激光的倍頻現(xiàn)象在用紅寶石激光激發(fā)石英晶體時(shí),標(biāo)志著非線性光學(xué)研究的開(kāi)端。1962年,尼古拉斯布隆伯根闡述了非線性光學(xué)理論。之后,非線性光學(xué)經(jīng)歷了創(chuàng)立、發(fā)展和應(yīng)用三個(gè)階段,構(gòu)成了基礎(chǔ)理論、新材料合成和器件應(yīng)用三個(gè)相互聯(lián)絡(luò)的重要領(lǐng)域。至此,非線性光學(xué)逐步成為當(dāng)代光學(xué)一個(gè)重要分支,已應(yīng)用到激光技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。當(dāng)前,科學(xué)家們對(duì)非線性光學(xué)主要研究集中在下面三方面:其一,非線性光學(xué)機(jī)理探尋求索和研究。其二,非線性光學(xué)材料的設(shè)計(jì)和合成。其三,非線性光學(xué)器件的發(fā)展和應(yīng)用。非線性光學(xué)是通過(guò)比照線性光學(xué)而得名的,它研究光與物質(zhì)互相作用后引發(fā)光波非線性光學(xué)現(xiàn)象規(guī)律的一門(mén)學(xué)科。非線性極化場(chǎng)將輻射出與入射場(chǎng)頻率不同的電磁輻射,它能夠?qū)е氯肷涔獾念l率、振幅、相位等狀態(tài)發(fā)生改變。當(dāng)光與分子互相作用時(shí),由于電磁場(chǎng)和分子中的帶電粒子的互相作用,物質(zhì)中粒子的正負(fù)電荷重心都會(huì)發(fā)生變化,產(chǎn)生一個(gè)偶極矩,偶極矩與電磁場(chǎng)強(qiáng)度方向相反且平行。當(dāng)物質(zhì)通過(guò)一個(gè)低電磁場(chǎng)強(qiáng)度光波時(shí),偶極矩與電磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比線性關(guān)系。表示如下:華而不實(shí)E是入射光波的電磁場(chǎng)強(qiáng)度,(1)是材料的宏觀線性極化率。然而,當(dāng)物質(zhì)通過(guò)一個(gè)高電磁場(chǎng)強(qiáng)度光波時(shí)(激光),偶極矩與電磁場(chǎng)強(qiáng)度成非線性關(guān)系。表示如下:華而不實(shí)(2)、(3)分別是二階和三階非線性極化率。在一個(gè)微觀分子水平上,分子的極化強(qiáng)度矢量可以以表示如下:式中а、、分別對(duì)應(yīng)于零階、一階和二階超極化率。根據(jù)上面描繪敘述,非線性光學(xué)能夠分為:二階非線性光學(xué)、三階非線性光學(xué)和多階非線性光學(xué)。二階非線性常被用于二次諧波、光學(xué)合差頻以及光電響應(yīng)領(lǐng)域。三階非線性主要包括非線性吸收、非線性反射、非線性折射和非線性散射。華而不實(shí)研究最多的就是非線性吸收。非線性吸收包括:飽和吸收(SA)、反飽和吸收(RSA,也稱(chēng)為激發(fā)態(tài)吸收ESA)、雙光子吸收(TPA)、多光子吸收(MPA)以及自由載流子吸收(FCA)等。全光開(kāi)關(guān)及激光諧振腔則利用SA來(lái)實(shí)現(xiàn)。材料的光限幅現(xiàn)象則利用ESA、TPA、MPA以及FCA來(lái)實(shí)現(xiàn)。非線性光學(xué)及其非線性光學(xué)材料的一個(gè)主要應(yīng)用方向則是光限幅效應(yīng),也是針對(duì)激光防護(hù)最有利工具,是一種新型的光強(qiáng)防護(hù)技術(shù)。隨著20世紀(jì)60年代激光問(wèn)世以來(lái),激光在工業(yè)、國(guó)防軍事、衛(wèi)生醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,被稱(chēng)為最快的刀最準(zhǔn)的尺最亮的光和奇異的激光,它的亮度約為太陽(yáng)光的100億倍。但利弊相間,華而不實(shí)最令人擔(dān)憂則是激光作為致盲武器在軍事方面的運(yùn)用。與傳統(tǒng)武器相比擬,在攻擊的原理、殺傷毀壞機(jī)制以及作戰(zhàn)方式等方面都有著宏大的區(qū)別。隨之而來(lái)的是各國(guó)相繼蓬勃開(kāi)展了激光防護(hù)研究。2.非線性光學(xué)材料基于上面所講,一切物質(zhì)都具有非線性光學(xué)效應(yīng)。自紅寶石激光器發(fā)展以來(lái),20世紀(jì)60年代,非線性光學(xué)行為第一次被發(fā)如今無(wú)機(jī)晶體中,如鈮酸鋰,由于這些無(wú)機(jī)材料具有好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性,透明度較好。但這些材料仍有很多缺陷,比方:低的非線性光學(xué)響應(yīng)、低的損傷閾值、難于制備成微光電子器件等,也限制其長(zhǎng)足的發(fā)展。1983年,R.K.Jain等人首先研究了摻CdSxSe1-x的半導(dǎo)體微晶玻璃的非線性光學(xué)性質(zhì),發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)異的非線性響應(yīng)系數(shù)和響應(yīng)速度,將作為繼無(wú)機(jī)晶體之后一種高效新型非線性光學(xué)材料。有機(jī)化合物的非線性效應(yīng)是1964年被初次發(fā)現(xiàn)之后并迅速引起人們極大重視,陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了很多性能優(yōu)異的有機(jī)非線性光學(xué)材料。相比于無(wú)機(jī)非線性光學(xué)材料,有機(jī)材料具有下面優(yōu)點(diǎn):(1)宏大和快速的非線性響應(yīng)效應(yīng);(2)容易處理和容易制備成光學(xué)器件;(3)通過(guò)化學(xué)修飾能夠很好的調(diào)節(jié)非線性光學(xué)性質(zhì);(4)能夠?qū)崿F(xiàn)分子水平的小型化器件目的。強(qiáng)的非線性光學(xué)響應(yīng)有機(jī)材料往往大都是苯環(huán)或芳雜環(huán)類(lèi)化合物,他們具有離域的大-電子體系。由于大-電子云分布在光波照射下會(huì)產(chǎn)生偶極矩,并且偶極矩越大,非線性效應(yīng)越顯著。近年來(lái),由于納秒、皮秒和飛秒激光器技術(shù)的迅速發(fā)展,非線性光學(xué)迎來(lái)了嶄新的春天,對(duì)非線性材料的光學(xué)性能要求也越來(lái)越多。當(dāng)前為止,非線性光學(xué)材料主要包括下面幾類(lèi):有機(jī)金屬類(lèi)化合物、無(wú)機(jī)有機(jī)復(fù)合二維材料(碳納米管和石墨烯)和有機(jī)小分子(C60、酞菁和卟啉)。3.衡量非線性光學(xué)性能的參數(shù)當(dāng)前,非線性光學(xué)研究集中于光限幅材料及機(jī)理的研究,尋找強(qiáng)光限幅效應(yīng)材料是非線性光學(xué)研究的重點(diǎn)。評(píng)價(jià)光限輻效應(yīng)性能的基本參數(shù)為:(1)起始限幅閾值,定義為:當(dāng)透過(guò)率降低到線性透過(guò)率50%時(shí)候的輸入光能量密度。(2)線性透過(guò)率TL,線性透過(guò)率反響可見(jiàn)度。(3)最低透過(guò)率Tmin,光限幅最低透過(guò)率一般存在光焦點(diǎn)處。(4)最低輸出通量Fout,光限幅最低透過(guò)率一般存在光焦點(diǎn)處。(5)動(dòng)態(tài)范圍DR(DynamicRange),線性透過(guò)率與最低透過(guò)率比值的對(duì)數(shù),即:DR=log(TL/Tmin)。(6)非線性吸收系數(shù)()。根據(jù)評(píng)價(jià)光限輻效應(yīng)性能的基本參數(shù),理想的限幅器必須具備的要求為:(1)起始限幅閾值低于2uJ,能夠起到對(duì)人眼及光學(xué)傳感器的保衛(wèi),即無(wú)論多大的光強(qiáng)入射,都能使得出射光強(qiáng)低于人眼及其探測(cè)器的安全上限。(2)具有合理的線性透過(guò)率,即無(wú)論輸入光強(qiáng)度有多高或多低,都能有足夠的可見(jiàn)度,以便于人眼觀察和探測(cè)信號(hào)。(3)TL盡量高,Tmin盡量低,也即DR要足夠大,理想情況DR值要大于4。(4)防護(hù)的光譜帶寬足夠大,能夠?qū)Ω鞣N波長(zhǎng)進(jìn)行限幅。(5)響應(yīng)的速度要快,即能夠迅速的對(duì)入射的任意脈沖產(chǎn)生防護(hù)效應(yīng)。(6)防護(hù)材料的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,受環(huán)境因素的影響不大。能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地防護(hù)防護(hù)激光。(7)便宜、容易制備、攜帶方便。為了找到理想的光限幅材料,各國(guó)相關(guān)科研人員在材料光學(xué)非線性方面進(jìn)行了長(zhǎng)期不懈的努力探尋求索。4.小結(jié)系統(tǒng)闡述了非線性光學(xué)理論和材料的研究大概情況?；谌A非線性吸收的激發(fā)態(tài)吸收、雙光子吸收、多光子吸收以及自由載流子吸收可實(shí)現(xiàn)材料的光限幅效應(yīng)。光限幅效應(yīng)是針對(duì)激光防護(hù)最有利工具,也是非線性光學(xué)近年來(lái)最大應(yīng)用。概述了非線性光學(xué)材料發(fā)展,當(dāng)前主要分為有機(jī)金屬類(lèi)化合物、無(wú)機(jī)有機(jī)復(fù)合二維材料和有機(jī)小分子。最后總結(jié)了表征非線性光學(xué)性能的基本參數(shù),為設(shè)計(jì)合成應(yīng)用于非線性光學(xué)領(lǐng)域提供有價(jià)值的指導(dǎo)。以下為參考文獻(xiàn)：[1]MaimanTH.StimulatedOpticalRadiationinRuby[J].Nature.1960,187:493-494.[2]FrankenP,etal.GenerationofOpticalHarmonics[J].Phys.Rev.Lett.1961,7:118-119.[3]BloembergenN,etal.LightWavesattheBoundaryofNonlinearMedia[J].Phys.Rev.1962,128:606-622.[4]GemadelaTorre,etal.RoleofStructuralFactorsintheNonlinearOpticalPropertiesofPhthalocyaninesandRelatedCompounds[J].Chem.Rev.2004,104:3723-3750.[5]吳娟等.D-A-D(D)型鄰位碳硼烷三元體系二階非線性光學(xué)性質(zhì)的理論研究[J].高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào),2021,39(07):1490-1496.[6]孫金魚(yú)等.1-(芘-1-基)-3-(苯并噻吩-3-基)丙烯酮的合成和三階非線性光學(xué)性質(zhì)研究[J].分子科學(xué)學(xué)報(bào),2021,34(03):235-239.[7]DaniloDini,etal.Phthalocyaninesandrelatedcompoundsasswitchablematerialsuponstrongirradiation:themolecularengineeringbehindtheopticallimitingeffect[J].SolidStateIonics.2003,165:289-303.[8]蓋敏強(qiáng),王穎,潘世烈.深紫外非線性光學(xué)晶體材料:發(fā)展趨勢(shì)和創(chuàng)新探尋求索[J].科學(xué)通報(bào),2021,63(11):998-1011.[9]LeeW.Tutt,etal.AReviewofOpticalLimitingMechanismsandDevicesusingOrganics,Fullerenes,SemiconductorsandOtherMaterials[J].Prog.Quanr.Electr.1993,17:299-338.[10]N.Liaros,etal.NonlinearOpticalPropertiesandBroadbandOpticalPowerLimitingActionofGrapheneOxideColloids[J].J.Phys.Chem.C.2020,117:6842-6850.[11]ThomasS,etal.LinearandNonlinearOpticalPropertiesofExpandedPorphyrins:ADMRGStudy[J].J.Phys.Chem.A2020,117:7804-7809.[12]Gui-JiangZhou,etal.OrganometallicacetylidesofPt(II),Au(I)andHg(II)asnewgenerationopticalpowerlimitingmaterials[J].Chem.Soc.Rev.2018,40:2541-2566.[13]JunWang,etal.SolventEffectonOpticalLimitingPropertiesofSingle-WalledCarbonNanotubeDispersions[J].J.Phys.Chem.C.2008,112:2298-2303.[14]YongshengLiu,etal.Synthesis,characterizationandopticallimitingpropertyofcovalentlyoligothiophenefunctionalizedgraphenematerial[J].Carbon.2018,47:3113-3121.[15]Ya-PingSun,etal.PhotophysicalandNonlinearOpticalPropertiesofFullereneDerivatives[J].J.Phys.Chem.A.1998,102:5520-5528.[16]SeanM.OF,etal.MolecularEngineeringofPeripherallyAndAxiallyModifiedPhthalocyaninesforOpticalLimitingandNonlinearOptics[J].Adv.Mater.2003,15:19-32.[17]YunjingLi,etal.PhotophysicsandNonlinearAbsorptionofPeripheral-Substituted