一、非线性光学和现象.ppt

一、非线性光学及其现象光学克尔效应：一种三阶非线性光学效应。普通克尔效应是指介质在电场作用下，沿平行和沿垂直于电场方向偏振的光波的折射率n〃和n寑发生不同的变化,且它们之间的差值Δn正比于电场的二次方，从而出现感应双折射现象。通常，所加电场是直流或低频交变电场。当所加的是光频电场时，如果光足够强,也会发生同样的现象。此时Δn正比于作用在介质中的激光束的光强。这称为光学克尔效应。

产生光学克尔效应的非线性介质可以是液体、固体、气体或原子蒸气。产生的物理机制、效应的强弱都可以很不相同。有时也可以同时来源于几种不同机制。常见的物理机制有：①在光的作用下能级粒子数分布发生了改变。这适用于有分立能级的原子、分子或固体体系。②在光的作用下电子云分布发生了变化。这适用于原子或固体。③光场感生的电致伸缩效应。这适用于液体、固体和高压气体。④光场引起分子取向发生变化。适用于由各向异性分子组成的有机液体和溶液、分子晶体和液晶等。⑤光场引起分子排列发生变化。适用于例如液态的惰性元素等。通过对于来自光学克尔效应的双折射的测量，能够有效地测定各种介质的三阶非线性极化率。由于不同介质产生的光学克尔效应有着不同的机制，通过光学克尔效应的研究还可以进行各种不同物质的物性研究，测量不同的微观参量，例如分子取向的弛豫时间等。

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。

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：其中ε0为真空介电常数χ为介质的线性极化系数。

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)，

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。

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。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。

III—V族半导体材料它们在“限制材料”(confinedstructures)方面有很好的前景．III—V族半导体材料的所谓“带隙工程”(bandgapengineering)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．

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．

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；(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。

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。

高分子非线性光学材料和金属有机非线性光学材料就是