• 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。 非线性光学及其现象
非线性光学及其现象
• 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 三次谐波产生等方面 都极富吸引力．
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• 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；
• 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。
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• 高分子非线性光学材料的特点概括为以下几 点：
• (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。
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• 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
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• 因此，有机二阶非线性光学晶体应具备下述条件： • 1)非中心对称的晶体结构： • 2)为弥补有机晶体的转换效率不高的弱点，χ(2)达
• 其中 ε0为真空介电常数 χ为介质的线性极化 系数。
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• 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)，
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• 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。
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• 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：
• 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，但在形成晶体时由于分 子间偶极一偶极的静电作用形成了有中心对称的 晶体空间群，分子在晶体中的排列使偶极相互抵 消，所有分子的微观倍频系数矢量和趋于零，最 后显示出的χ(2)为零。
• 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 量振荡和放大等方面向实用化发展。
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• III—V族半导体材料它们在 “限制材 料”(confined structures)方面有很好的前 景． III—V族半导体材料的所谓 “带隙工 程”(bandgap engineering)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．
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。
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非线性光学材料的分类
• 氧化物和铁电晶体(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。
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• 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。
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• 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。
非线性光学及其现象
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• 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。
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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。
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二阶非线性光学材料