2022-2023學(xué)年高二物理競賽課件：非線性光學(xué)材料

非線性光學(xué)材料內(nèi)容非線性光學(xué)現(xiàn)象非線性光學(xué)效應(yīng)和非線性光學(xué)材料簡介非線性光學(xué)材料分類非線性光學(xué)晶體材料發(fā)展展望非線性光學(xué)晶體材料應(yīng)用物質(zhì)在強(qiáng)光如激光束的照射下，其光學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化．而這種變化又反過來影響了光束的性質(zhì)。研究這種光與物質(zhì)的相互作用就是非線性光學(xué)的內(nèi)容。非線性光學(xué)效應(yīng)來源于分子與材料的非線性極化。在電磁場作用下物質(zhì)中的電荷位移能力稱為電極化率。當(dāng)較弱的光電場作用于介質(zhì)時，介質(zhì)的極化強(qiáng)度P與光電場E成線性關(guān)系：其中ε0為真空介電常數(shù)χ為介質(zhì)的線性極化系數(shù)。當(dāng)作用于介質(zhì)的光為強(qiáng)光(如激光)時，介質(zhì)的極化將是非線性的，在偶極近似的情況下，原子或分子的微觀極化關(guān)系可表示為：其中第一項(xiàng)為線性項(xiàng)，第二項(xiàng)以后為非線性項(xiàng)，α為分子的線性光學(xué)系數(shù)(一階非線性光學(xué)系數(shù))，β、γ分別為分子的二階和三階非線性光學(xué)系數(shù)(又稱分子的二階或三階極化率)，對于一個由多個原子或分子組成的宏觀樣品來說，外部光電場作用產(chǎn)生的極化強(qiáng)度可表示為：其中χ(n)的含義與α．β、γ類似。χ(n)是(n+1)階張量，由張量定義可知，當(dāng)分子和分子集合體具有中心對稱性時，n為偶數(shù)項(xiàng)的系數(shù)就為零，因此，只有那些非中心對稱的分子和晶體，β和χ(2)不為零，才能顯示出二階非線性光學(xué)效應(yīng)。而中心對稱的分子和晶體，則顯示出三階非線性光學(xué)效應(yīng)。非線性光學(xué)材料的分類氧化物和鐵電晶體(如鈮酸鋰、磷酸二氫鉀和偏硼酸鋇等)、Ⅲ--Ⅳ族半導(dǎo)體(如砷化鎵等)有機(jī)聚合物材料。礦物氧化物和鐵電單晶這類材料都有良好的光學(xué)透過和機(jī)械堅(jiān)硬度．主要通過自然界中材料的篩選來滿足不同實(shí)際需要。但是，這類材料往往難以批量生長出大單晶；其微觀結(jié)構(gòu)與宏觀非線性光學(xué)性能關(guān)系的理論研究方面尚有未解決的問題給其新材料探索帶來難度。非線性光學(xué)材料的研究主要集中在無機(jī)晶體材料上，有的已得到了實(shí)際應(yīng)用，如磷酸二氫鉀(KDP)、鈮酸鋰(LiNbO3)、磷酸鈦氧鉀(KTP)等晶體在激光倍頻方面都得到了廣泛的應(yīng)用，并且正在光波導(dǎo)，光參量振蕩和放大等方面向?qū)嵱没l(fā)展。III—V族半導(dǎo)體材料它們在“限制材料”(confinedstructures)方面有很好的前景．III—V族半導(dǎo)體材料的所謂“帶隙工程”(bandgapengineering)技術(shù)是通過調(diào)節(jié)材料的能隙，有效地改變電子的躍遷幾率，從而控制材料的非線性光學(xué)響應(yīng)。然而，這類材料在實(shí)際應(yīng)用中存在共振條件限制：即激光運(yùn)作波長通常在量子阱激子能級附近．有機(jī)非線性光學(xué)材料有機(jī)晶體在合成和生長方面的特性使這類材料最有機(jī)會成為可分子設(shè)計(jì)的光電功能料．而且，有機(jī)材料在快速非線性光學(xué)響應(yīng)、大尺寸單晶生長三次諧波產(chǎn)生等方面都極富吸引力．有機(jī)非線性光學(xué)材料具有無機(jī)材料所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：(1)有機(jī)化合物非線性光學(xué)系數(shù)要比無機(jī)材料高1—2個數(shù)量級；(2)響應(yīng)時間快；(3)光學(xué)損傷閥值高；(4)可以根據(jù)要求進(jìn)行分子設(shè)計(jì)。但也有不足之處：如熱穩(wěn)定性低、可加工性不好，這是有機(jī)NLO材料實(shí)際應(yīng)用的主要障礙。典型的有機(jī)二階非線性光學(xué)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)硝基吡啶氧類，如POM(3一甲基4．硝基吡啶氧)；(4)二苯乙烯類，如MMONS(3一甲基4．甲氧基4一硝基二苯乙烯)；