非线性光学材料的研究及表征方法 - 学兔兔 www.bzfxw.com .pdf

器官 中文核心期刊 非线性光学材料的研究及表征方法 谭晓琳，陈根祥2 ，宋秋艳， ( 1 北京交通大学光波技术研究所。全光网络与现代通信网教育部重点实验室，北京1 0 0 0 4 4 ； 2 中央民族大学理学院。北京1 0 0 0 8 1 ) 摘要：概述了非线性光学材料的光学效应，然后根据化学性质的不同，将非线性光学材料分类为无机、有 机( 有机低分子、有机高分子、金属有机) 和无机有机复合非线性光学材料。针对不同的材料进行简单 综述，最后介绍了两种常用表征光学材料非线性性能的方法。 关键词：非线性光学材料；非线性光学效应；2 扫描；简并四波混频 中图分类号：N 9 3 ；T N 9 2 9 1 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2 - 5 5 6 1 ( 2 0 1 4 ) 0 6 - 0 0 5 6 、0 4 R e s e a r c ha n dc h a r a c t e r i z a t i o nm e t h o d so f n o n l i n e a ro p t i c a lm a t e r i a l s 队NX I a o 一血1 C H E NG e n - x i a n g 2 S O N GQ i u - y a n 1 ( 1 K e yL a bo fA UO p t i c a lN e t w o r ka n dA d v a n c e dT e l e c o m m u n i c a t i o nN e t w o r ko f M i n i s t r yo f E d u c a t i o n ，h a s t i t u t eo f L i g h t w a v eT e c h n o l o g y , B e i j i n gJ i a o t o n g U n i v e r s i t y ， B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a ；2 S c h o o lo f S c i e n c e ，M i n z uU n i v e r s i t yo f C h i n a ，B e i j i n g1 0 0 0 8 1 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h i sp a p e rs u m m a r i z e st h eo p t i c a le f f e c to ft h en o n l i n e a ro p t i c a lm a t e r i a l s ，t h e na c c o r d i n gt om a t e r i a l s d i f f e r e n tc h e m i c a lp r o p e r t y ，w ec l a s s i f ym a t e r i a l s t of i v et y p e s ：i n o r g a n i cn o n l i n e a ro p t i c a lm a t e r i a l s ，o r g a n i cn o n l i n e a ro p t i c a lm a t e r i a l s ( 1 0 wm o l e c u l a ro r g a n i cn o n l i n e a ro p t i c a lm a t e r i a l s ，n o n l i n e a ro p t i c a lp o l y m e r m a t e r i a l s ，m e t a lo r g a n i cn o n l i n e a ro p t i c a lm a t e r i a l s ) a n di n o r g a n i c o r g a n i cc o m p o s i t en o n l i n e a ro p t i c a lm a t e r i a l s S u mu pt h ef e a t u r eb a s eo nd i f f e r e n to p t i c a lm a t e r i a l s ，a tl a s t ，p a p e ri n t r o d u c e st w oc o m m o nc h a r a c t e r i z a t i o nm e t h o d so fn o n l i n e a ro p t i c a lm a t e r i a l s K e yw o r d s ：n o n l i n e a ro p t i c a lm a t e r i a l ；n o n l i n e a ro p t i c a le f f e c t s ；z s c a n ；d e g e n e r a t ef o u r - w a v em i x i n g 0 引言 1 9 6 1 年F r a n k e n 等人首先发现了倍频效应他们 用波长为6 9 4 3 n m 的红宝石激光器产生的强光照射到 石英晶体上，当这束红光通过石英之后。透射光中不 仅包含了6 9 4 3 n m 波长的红光同时还产生了波长为 3 4 7 2 n m 的成分由于后者光波频率恰好是红光频率 的两倍，被称为倍频效应；1 9 6 2 年，N B o l e m b e r g e n 等 人对其理论进行了详细的分析。自倍频效应被发现以 后非线性光学就引起了人们的广泛关注。 1 非线性光学效应的概述【1 卅 非线性光学材料是具有特殊信息处理和超快响 收稿日期：2 0 1 3 1 2 2 7 。 基金项目：国家自然科学基金( 批准号；6 1 2 7 5 0 5 2 ) 资助。 作者简介：谭晓琳( 1 9 8 8 一) 。女，硕士研究生，主要从事非线性光学材料 方面的研究 兜迅镭杖书2 0 1 4 年第6 期 应的光电材料。非线性光学是一种强光光学效应主 要研究物质在强光作用下输出光与原入射光强度的 非线性关系。随着人们对大信息通信要求越来越高。 非线性光学材料在光通信、全光开关以及光信息存储 等领域潜藏着广泛的应用价值主要有以下三种： 全光开关。信号光从端进入非线性材料，中 间分为两部分。在输出端合成一路；其中一束光有强 光控制而另一束没有适当地调节控制光强度和非 线性材料的长度以使两柬光发生竹相位变化，从而 使信号产生消光，则无信号光输出。实现开关关闭：反 之。当控制光不作用时，开光开启。 激光防护，光限幅。利用三阶非线性材料的反 饱和吸收作用。从而阻止强光破坏。允许弱光通过，起 到保护的作用 脉冲压缩。利用非线性三阶饱和吸收特性，可 万方数据 禽国 制成被动锁模激光器。良好的非线性光学材料，要有 较大的非线性系数、光损伤阈值。在工作波长处有高 透明度，在工作波长范围内能实现相位匹配，性能稳 定及易于加工等。 2 非线性光学材料 根据化合物的化学性质不同非线性光学材料主 要分为：无机非线性光学材料、有机非线性光学材料 ( 有机低分子非线性光学材料、有机高贫子非线性光学 材料和金属有机非线性光学材料1 和无机有机复合非 线性光学材料。 2 。1 无机非线性光学材料 多年来我国在非线性光学材料。尤其对无机非 线性光学晶体的研究。取得了令人瞩目的成就。1 9 8 6 年4 月美国4 8 位有声望的材料研究科学家在马里 兰安纳波利斯市参加了非线性材料讨论会会上他们 谈论了目前非线性材料的发展形式并拟定规划期望 保持美国在该领域的领先地位。当时，美国还没有 K N 、B B O 和L N ：M g 等无机非线性光学晶体材料，而在 我国，已经开始小批量生产了阁。经过十几年的努力， 我国独立研发出了一些新的材料。如K N S B N ( 铌酸锶 钡钾钠) ，M g O ：L i N b O ，( 高掺镁铌酸锂) 、高质量的锗酸 铋( B G O ) ，硅酸铋( B S O ) 和大尺寸磷酸二氢钾( K D P ) 等 嘲。 K T P ( K T i O P 0 4 ) 是在上世纪7 0 年代中期被发现的 非线性光学晶体是常用的激光倍频晶体，它具有优 异的倍频性能，非线性系数大，不易潮解，有韧度，物 化稳定性好光损伤阈值可达G W c m 2 量级，相位匹配 条件随温度变化的影响很小，是很好的无机非线性三 阶光学材料嗣。 2 2 有机非线性光学材料 在人们发现了无机非线性光学材料之后继而又 发现了具有更多优点的有机非线性光学材料。它们的 优点是具有更大的非线性光学系数、高光学损伤阈 值、响应时间快和成本低等。有机三阶非线性光学材 料主要研究两个方面的内容：具有百共轭链的有机 低分子化合物，如偶氮化合物、酞菁类化合物、富勒 烯、稠杂环化合物等 8 1 ；具有长耵共轭链的高分子聚 合物。如聚二乙炔、聚噻酚、聚苯胺以及它们的衍生物 等【9 】。 2 1 2 。1 富勒烯 富勒烯是除金刚石和石墨之外碳的第三种同素 谭晓琳，陈根祥宋秋艳：非线性光学材料的研究及表征方法 异形体，它是以球状、椭圆状或管状结构存在的，具有 三维叮r 电子离域结构。碳纳米管是典型的富勒烯是 一维纳米材料，其管两端有端帽封口管身是准圆管 结构由六边形碳环组成两端封E l 由不稳定的五元 和七元碳环结构组成。碳纳米管具有优良的三阶非线 性光学特性，近几年来很多研究人员对其进行了深 入的研究。 碳纳米管自1 9 9 1 年被发现以来其光学特性一 直受到广泛的关注。1 9 9 9 年。K a t a u r a 等人观察到了单 壁碳纳米管在可见光和近红外范围的吸收光谱 1 0 】单 壁碳纳米管的三阶非线性光学性质尤其是它优异的 饱和吸收特性引起了人们的兴趣( 1 l 】利用其饱和吸收 特性( 指吸收系数在入射光强达到一定程度的时候反 而减小的一种现象) 可实现短脉冲光纤激光器。2 0 0 5 年Y S a k a s i b a r a 等人将单壁碳纳米管与聚酰亚胺均匀 混合制作成碳纳米管聚酰亚胺复合薄膜并夹在两 个P C 光纤头之间制成饱和吸收器件实现了在波长 1 5 7 0 n m 处重复频率为8 5 M H z 、脉冲宽度为6 8 f s 和输 出功率达1 0 m W 的被动锁模激光器0 2 。2 0 0 7 年S h i n j i Y a m a s h i t a 与T a k e s h iY o s h i d a 等人合作制作出在 1 5 3 5 n m 波长处输出功率高达3 0 r o W 、重复频率为 1 0 G H z 的被动锁模掺铒光纤激光器【1 3 】。 2 2 _ 2 酞菁类化合物 酞菁是一类由8 个N 原子、8 个C 原子组成的1 6 中心1 8 r r 电子的芳香共轭体系的大环高度共轭配合 物正是它们这种特殊的结构使其具有了大的三阶光 学菲线性系数。并且有良好的物化稳定性。金属酞菁 也是酞菁类化合物的一种。 顾玉宗等人利用z 扫描技术对一种新的酞菁相 关化合物( 三新戊氧基溴硼亚酞菁) 薄膜材料在波长 1 0 6 4 n m 和5 3 2 n i n 、脉宽为3 8 p s 条件下进行表征，观察 到在1 0 6 4 n m 下的双光子吸收和在5 3 2 n m 下的反饱和 吸收现象并计算出了其共振三阶非线性极化率分别 为6 1 x l O 一1 2 e S L I 和6 7 x l O 一1 0 e S u 显现出了这种新型酞 菁化合物在非线性光学方面存在的巨大应用价值【1 4 】。 2 3 无机有机复合非线性光学材料 通过上文的描述可得出无机非线性光学材料和 有机非线性光学材料各有优缺点如果利用无机非线 性材料产生大的倍频效应结合有机非线性光学材料 非线性光学系数大的优点制备成无机有机复合非线 性光学材料那将会成为非线性光学材料新的研究课 题。2 0 0 4 年，刘关心等人用溶胶一凝胶