论文部分内容阅读
在激光问世以前，人们对光学的认识主要限于线性光学，然而，随着激光的出现，人们对于光学的认识发生了重要的变化，线性光学的基本观点已经无法解释人们所发现的大量的新现象，只有应用非线性光学的原理才能予以说明。
当高强度的激光作用到介质时，人们发现在大量的各种不同的材料中都会观察到与线性光学效应截然不同的现象，介质的折射率会随着光电场强度的变化而变化，吸收系数也不再是一个常数。
Bloembergen 给非线性光学效应的定义作了如下论述：凡物质对于外加电磁场的响应，并不是外加电磁场振幅的线性函数的光学现象，均属于非线性光学效应的范畴。本论文我们将主要探讨一下影响二阶非线性光学效应的一些因素，并主要研究一下材料的对称性结构是如何影响其二阶非线性光学的性质的。
在强光作用下，材料的极化强度分量Pi和分子的电偶极距分量μi用爱因斯坦求和形式可以表示为：
其中，ijkl为笛卡尔坐标系数，Ej为外加光场的电场分量，χij(1)和αij分别为材料的一阶极化率和分子的一阶极化率分量；χijk(2)和βijk分别为材料的二阶极化率和分子的一阶超极化率（或二阶极化率）分量，这两个张量对应着二阶非线性光学效应，如二次谐波产生（SHG）、和频（SFG）、线性电光效应（EO）等；χijkl(3)和γijkl分別为材料的三阶极化率和分子的二阶超极化率分量。这些量的非零值依赖于材料和分子的对称性结构，它们的独立性依赖于光与物质相互作用的特点。
对二阶非线性光学材料的实际应用一般存在以下几点要求：a.非中心对称结构；b.良好的热稳定性；c.良好的透明性；d.较大的二阶NLO系数。其中，最基本的要求是非中心对称结构。
有机非线性光学材料的组成分子具有高度离域的可极化π电子体系，故此它的非线性光学系数要比无机材料的高1～2个数量级。非线性光学研究的初期，人们关注的重点就是如何提高材料的非线性活性（即非线性系数），因此在60年代中期，有机物就作为除无机和Ⅲ～Ⅴ族半导体材料之外的第三类非线性光学材料而受到研究人员的重视。另外，有机材料的其他一些优点也是为研究者所普遍赞同的，如超快的响应速度、大的光学损伤阈值等。还有，有机分子丰富多变的结构特点，使得人们可以根据不同器件集成化的要求对分子进行设计并就透光波段与非线性效率问题作合理的“剪裁”。
有机分子共轭结构中π电子的离域特性是产生大的分子光学非线性响应的起源，即使在非共振条件下离域的π电子也能产生大的非线性极化，这就是有机材料与无机材料在非线性光学上最大的区别。
接下来我们就来看几种特殊结构的二阶非线性光学材料，首先我们来看一下偶极体系。
1.偶极体系
1.1偶极型材料的二阶NLO性质
迄今研究的具有二阶非线性光学的有机分子主要是偶极分子体系，其特征是分子具有固有偶极矩，分子是非中心对称和各向异性的，有一个给体（D）---受体（A）电荷转移轴，其分子的超极化率β张量也是各向异性的。
分子的一阶超极化率β取决于波函数的不对称部分和电子分布的奇数矩。当在有机共轭体系中加上极性取代基后，就会诱导一个分子固有偶极矩μ0。从而通过破坏分子的中心对称性产生β张量的非零分量。90年代以前的二阶非线性光学材料分子设计就主要集中在一维电荷转移分子。这类分子的主要特点是：其中间有一个共轭π电子体系（电荷转移轴），两端分别是电子给体（D）和电子受体（A），如图1。
因此这类偶极型分子常常被称为D-π-A体系[7]。
1.2偶极型材料的理论研究
前面我们介绍了偶极分子体系的基本结构特点，接下来我们就从理论上具体的研究一下。
D-π-A体系的一阶超极化率β可以用在电荷转移方向的一个显著的分量来表示。描述这类一维电荷转移分子最简单和相对适用的理论就是Qudar和Chemla等人提出的双能级模型。这个模型可以用基态和一个激发态之间的电子电荷转移激发来描述非线性特征和分子结构之间的关系。对于二次谐波（SHG）来说，这个最显著的分量表示为：
式中，ω为外加激光场频率；ωge为基态与激发态间的跃迁频率；△μge为基态偶极矩和激发态偶极矩之差；μge为基态和激发态间的跃迁偶极矩。由此式可以看出，偶极分子的非线性正比于基态和激发态之间的跃迁频率、跃迁偶极矩和两态间的偶极矩之差。另外，由上式分母可知，当激光频率ω或其倍频值2ω接近于跃迁频率ωge时，此非线性值将明显增大。为了区分分子内电荷转移和共振行为对分子非线性值的贡献，定义β(0)为分子静态一阶超极化率，如上式。β(0)表示在不考虑色散的情况下非线性值的相对大小，所以它更能反映分子的内禀性质。通常先测得β(-2ω,ω,ω)，然后由上式计算β(0)。（限于篇幅，待续）
（作者单位：陕州中学）
当高强度的激光作用到介质时，人们发现在大量的各种不同的材料中都会观察到与线性光学效应截然不同的现象，介质的折射率会随着光电场强度的变化而变化，吸收系数也不再是一个常数。
Bloembergen 给非线性光学效应的定义作了如下论述：凡物质对于外加电磁场的响应，并不是外加电磁场振幅的线性函数的光学现象，均属于非线性光学效应的范畴。本论文我们将主要探讨一下影响二阶非线性光学效应的一些因素，并主要研究一下材料的对称性结构是如何影响其二阶非线性光学的性质的。
在强光作用下，材料的极化强度分量Pi和分子的电偶极距分量μi用爱因斯坦求和形式可以表示为：
其中，ijkl为笛卡尔坐标系数，Ej为外加光场的电场分量，χij(1)和αij分别为材料的一阶极化率和分子的一阶极化率分量；χijk(2)和βijk分别为材料的二阶极化率和分子的一阶超极化率（或二阶极化率）分量，这两个张量对应着二阶非线性光学效应，如二次谐波产生（SHG）、和频（SFG）、线性电光效应（EO）等；χijkl(3)和γijkl分別为材料的三阶极化率和分子的二阶超极化率分量。这些量的非零值依赖于材料和分子的对称性结构，它们的独立性依赖于光与物质相互作用的特点。
对二阶非线性光学材料的实际应用一般存在以下几点要求：a.非中心对称结构；b.良好的热稳定性；c.良好的透明性；d.较大的二阶NLO系数。其中，最基本的要求是非中心对称结构。
有机非线性光学材料的组成分子具有高度离域的可极化π电子体系，故此它的非线性光学系数要比无机材料的高1～2个数量级。非线性光学研究的初期，人们关注的重点就是如何提高材料的非线性活性（即非线性系数），因此在60年代中期，有机物就作为除无机和Ⅲ～Ⅴ族半导体材料之外的第三类非线性光学材料而受到研究人员的重视。另外，有机材料的其他一些优点也是为研究者所普遍赞同的，如超快的响应速度、大的光学损伤阈值等。还有，有机分子丰富多变的结构特点，使得人们可以根据不同器件集成化的要求对分子进行设计并就透光波段与非线性效率问题作合理的“剪裁”。
有机分子共轭结构中π电子的离域特性是产生大的分子光学非线性响应的起源，即使在非共振条件下离域的π电子也能产生大的非线性极化，这就是有机材料与无机材料在非线性光学上最大的区别。
接下来我们就来看几种特殊结构的二阶非线性光学材料，首先我们来看一下偶极体系。
1.偶极体系
1.1偶极型材料的二阶NLO性质
迄今研究的具有二阶非线性光学的有机分子主要是偶极分子体系，其特征是分子具有固有偶极矩，分子是非中心对称和各向异性的，有一个给体（D）---受体（A）电荷转移轴，其分子的超极化率β张量也是各向异性的。
分子的一阶超极化率β取决于波函数的不对称部分和电子分布的奇数矩。当在有机共轭体系中加上极性取代基后，就会诱导一个分子固有偶极矩μ0。从而通过破坏分子的中心对称性产生β张量的非零分量。90年代以前的二阶非线性光学材料分子设计就主要集中在一维电荷转移分子。这类分子的主要特点是：其中间有一个共轭π电子体系（电荷转移轴），两端分别是电子给体（D）和电子受体（A），如图1。
因此这类偶极型分子常常被称为D-π-A体系[7]。
1.2偶极型材料的理论研究
前面我们介绍了偶极分子体系的基本结构特点，接下来我们就从理论上具体的研究一下。
D-π-A体系的一阶超极化率β可以用在电荷转移方向的一个显著的分量来表示。描述这类一维电荷转移分子最简单和相对适用的理论就是Qudar和Chemla等人提出的双能级模型。这个模型可以用基态和一个激发态之间的电子电荷转移激发来描述非线性特征和分子结构之间的关系。对于二次谐波（SHG）来说，这个最显著的分量表示为：
式中，ω为外加激光场频率；ωge为基态与激发态间的跃迁频率；△μge为基态偶极矩和激发态偶极矩之差；μge为基态和激发态间的跃迁偶极矩。由此式可以看出，偶极分子的非线性正比于基态和激发态之间的跃迁频率、跃迁偶极矩和两态间的偶极矩之差。另外，由上式分母可知，当激光频率ω或其倍频值2ω接近于跃迁频率ωge时，此非线性值将明显增大。为了区分分子内电荷转移和共振行为对分子非线性值的贡献，定义β(0)为分子静态一阶超极化率，如上式。β(0)表示在不考虑色散的情况下非线性值的相对大小，所以它更能反映分子的内禀性质。通常先测得β(-2ω,ω,ω)，然后由上式计算β(0)。（限于篇幅，待续）
（作者单位：陕州中学）