第7章 光子材料

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H3CO OCH3 OCH3 OCH3
38
源自文库
★具有D—A结构的以硝基为吸电子基的噻吩衍生物
39
含偶氮基团的有机化合物
1988年设计合成出了具有苯胺乙烯基结构的重氮苯盐 的NLO活性化合物,其合成方法如下:
40
1993年合成出含偶氮基的D—A型具有NLO活性 的有机生色物(A,B),其合成方法如下:
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金属有机化合物
目前研究较多的是含有二茂铁基的有机金属
化合物,这类化合物中二茂铁基一般作为给电子
基团,通过共轭体系与吸电子基相连.Gree等设计
合成了一系列以二茂铁基作为给电子基团的金属 有机化合物,其中合成出的(cis)-1-二茂铁-2-(4-硝
基苯)乙烯,其SHG效应在1.907μm时是尿素的62
22
完美透镜
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2005年,Hegde等人发现,由非线性负折 射率材料和线性正折射材料交替构成周期 性结构,能够产生零折射率带隙孤子。
同年,Wen等人提出了利用聚焦型非线性 负折射材料薄片来对常规非线性介质进行 预补偿,抑制光束的自聚焦
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电磁感应透明
电磁感应透明:通过量子相干效应使不透 明的介质变得透明,使介质对探测光的吸 收几乎为零。 2004年,Y. Zhu等人证明了电磁感应透明 能够抑制一个多能级原子系统中的所有阶 非线性吸收,实现高混频波转换效率
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芳香硝基化合物
硝基苯类衍生物SHG效应 序号 1
O2N
结构式
NH2
SHG效率 截止波长 (粉末法) (λ/nm) 0.0 470
β (×10-30esu) 35
CH3
2
(MNA)
O2N
NH2
22
480
42
CH3
3
(MNA)
O2N
NHCH 3
80
-
-
NHCOCH 3
4
(DAN)
O2N
N(CH3)2
5
主要的非线性光学材料
近年来高速光通信、光信息处理等领域的飞速发展, 对非线性光学材料的研究起到了较大的推动作用。其中 极化聚合物由于具有非线性系数大、响应时间快、损伤 阀值高、介电常数低、易于分子设计等优点而倍受关注。 然而一般情况下引入的生色团在聚合物薄膜中任意排列 分布,整个聚合物具有中心对称。为了在聚合物薄膜中 产生较强的二阶光学效应,就必须破坏这种中心对称性。 高温电晕极化是一种有效的方法。 聚(氨酯—酰亚胺)(PUI)作为一种新型的二阶非 线性光学材料,兼具PU溶解性和成膜性好以及PI玻璃化 转变温度较高,耐高温的优点。
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慢光
哈佛大学的L.V.Hau研究小组通过将光脉冲的群速 度减小到17m/s,使得三阶非线性系数χ(3)得到 了上百万倍的提高。
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磁等离激元
磁等离激元是由光波中磁场分量诱发电子集体振荡产生,具 有很好的光场压缩效应,其亚波长结构对许多非线性光学与 量子光学过程具有很好的增强作用,如倍频、三次谐波等等
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有机二阶非线性光学分子设计和合成
有机二阶NLO分子的设计原则 作为有机二阶NLO材料设计、制备的基础,有机二 阶NLO分子的设计、合成研究显得尤为重要.有机 化合物的NLO效应是由于非局域的π电子受激发所 致,所以有机NLO分子都是强极性的π共轭体系. 分子设计原则如下 (1)分子不具有对称中心. (2)分子具有π共轭的电子体系. (3)分子内存在电荷转移.
(4)透明性和光学非线性性能比优化.
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结构特征:有电子给体(D)、受体(A)和π共 轭体系的有机分子,即分子内电荷转移化 合物。如:
CH3
O2N
NH2
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尿素及其衍生物
序号
1
H2N
化合物
O
N H2
SHG(粉末法)* 1.0
λmax/nm 200
β/×10-30esu 0.45
2
MeH N
O
0.33
6
深紫外非线性光学晶体
KBBF: 0.155~3.5μm,物理化学性质稳定,不潮解,
难长大
KBBF可以直接通过对Nd:YAG激光六倍频得 到深紫外激光输出
7
KBBF可用于制作全固态深紫外激光光源 2011年5月17日,大连化物所研制的深紫外 拉曼光谱仪通过验收,并首次实现了193240nm激发波长的连续可调;
(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。
29
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
7.6 非线性光学材料
非线性光学
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。
1
1
材料的非线性极化
光与材料的相互作用:
入射光波电场 材料的原子或分子体系 感生电偶极矩并进而辐射电磁波
材料的非线性极化:
强光场或其它外加场的扰动 材料的原子或分子内电子的运动
除线性振动外还受到偏离线性的附加扰动, 材料的电容率变为时间或空间的函数, 材料的极化响应与光波电场存在非线性关系。
2
研究意义
非线性光学材料广泛用于激光变频、孤子 通信、微纳加工、全光开关等诸多方面
材料的评价应综合考虑: 非线性、稳定性、透光范围、 光响应速度、导热性等
DSTMS薄膜及DSTMS单晶
11
双光子吸收材料
通常用σ2衡量双光子吸 收能力:
目标: 寻找双光子吸收截面大、 聚合阈值低的引发剂。
突破衍射极限!
双光子聚合材料用于微纳加工
12
新型光学超晶格研究进展
电场极化制备的Fibonacci序列超晶格
——通过倍频与和频的级联过程直接实现高效的三倍频
13
全固态三基色激光器
48
四个单位的图示:
49
光通量
光通量:看得见的 光辐射功率 单位:瓦
50
光通量的单位:流明(lm) 1W功率555nm的黄绿光发出的光通量是: 683 lm. 说明: 对人的眼睛555nm的黄绿光最敏感. 其它颜色的 光线的敏感度 低于555nm的 值. 有V(λ)曲线.
51
相同的功率(W),不同的光源得到的光通量 (Φ)是不同的: 400W高压钠灯48000lm----120lm/w 400W高压汞灯21600lm-----54lm/w 400W金卤灯38000lm------95lm/w 发光效率就能说明这个问题.
15
二维光学超晶格的非线性Cerenkov辐射
二维光学超晶格中存在共线与非共线的倒格矢 Cerenkov 倍频光会沿不同方向辐射出来。
16
17
光子局域效应对光学非线性的放大
18
光子晶体光纤的光学非线性
实心PCF产生的超连续光谱
可产生高次谐波的空芯PCF
19
表面等离激元
20
21
负折射材料
3
4
主要的非线性光学材料
在新型光学处理材料中非线性光学( NLO)材料以其能实现 倍频和三倍频的能力尤为瞩目。这种能力为实现全光学计算、开 关和远距离通信提供了可能。传统的 NLO材料如铌酸锂、钛酸钡、 石英、硒化镉和磷酸氢钾极难生长成单晶,其价格每克高达 2000 美元。能实现倍频的二级NLO材料由于成本原因,其未来将为聚 合物占有。三级NLO材料以三倍频、光学克尔效应、光学双稳态、 相位共轭、光折射等效应用于光学开关、计算、动态数据存储、 放大、光束导向和图象处理,但实用价值高的光学计算距离商品 化至少需要20年。在无机晶体当中铌酸锂站在商品化的前列。其 它大有希望的NLO材料有硼酸锂,磷酸钛钾(KTP)和β-硼酸钡.KTP 已用于使Nd:YAG倍频产生532nm的绿光,以商品的形式用于外科 手术中。处于研究阶段的有掺铈铌酸锶钡 ,二氧化硅铋和钛酸钡。 GaAs也具有NLO性能,但激活能低,很难制成有用的器件,故已把目 光转向GaAs/GaAlAs和HgTe/CdTe超晶格。
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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;
以半导体激光泵浦的掺Nd3+激光晶体双波长激光器作为基 频光,通过对其1342nm输出的倍频和三倍频分别得到红光 (660nm)、蓝光(440nm),对1064nm输出光的倍频得到绿 光(532nm)
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非周期超晶格的光功能集成
一个聚焦点、两个聚 焦点、十个聚焦点的 光学超晶格结构
随着基频光在超晶格内的传播,倍频渐 渐增强的同时也在聚焦,在光学超晶格 外, 倍频光最终聚焦为两个斑点
0.36~3μm,非线性系数为KDP的100倍,光损阈值高
金属卤化物: NaSb3F10
0.25~7.8μm,光损阈值1.3GW/cm2,为LIS阈值的10 倍
9
有机高分子非线性光学材料
H型发色团
超枝化高分子HP2
10
有机非线性光学晶体
DSNS-2,其非线性 比DAST提高近了 50%,是至今报道的 有机二阶非线性光学 晶体中最大的 DSTMS,它的非线 性光学系数和DAST 近似,但其晶体的生 长能力有了大幅提高
115
-
-
5 (DANS)
O2N
N(CH3)2
0.0
430~580
450
35
硝基吡啶类衍生物SHG效应
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有机盐
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芳杂环化合物及其衍生物
★具有D—A结构的 2,4,5-三芳基咪唑衍生物
NO2 NO2
N
NH
N
NH
O
O
L1 L2 在二氧六环中L1的最大吸收波长为410 nm,μg为7.0 D,β为18×10-30esu
同日验收的深紫外激光光发射电子显微镜, 利用其深紫外激光的高能量、高强度等特 点获得了3.9nm的空间分辨率,是目前国际 最高水平
探索高温超导体
8
新型红外非线性光学晶体
ABC2型黄铜矿结构: LiGaTe2
0.5~12μm,d36=43pm· V-1±10%,是同类中最高之

硫属化物: BaGa4S7
N H Me
-
-
O2N
NO2 O
3 *
8.8 二阶非线性有机材料 SHG活性的评价一般按粉末法进行,其 强度用相对尿素的比值来表示
N H N H NH2
33
间二取代苯衍生物
间二取代苯比邻位或对位二取代苯容易形成非 中心对称结构,符合NLO分子的设计原则. 目前 研究了间二硝基苯(β~5KDP),间二苯酚(β~ 2KDP),2,4-二氨基苯胺(~2.9KDP),间羟基 苯胺(~3KDP),间硝基苯胺(mNA)(β~3KDP) 等间二取代苯衍生物,尽管这些分子的β值并不 高,但其中mNA的性能较好,其SHG的转换效 率(P(2w)/P(w))可达65 %,引起了科学家的很大 兴趣
倍.目前具有最大SHG效应的含二茂铁基化合物是 Marder等报道的(E)-1-二茂铁基-2-(1-甲基-4-吡啶) 乙烯的碘盐,其SHG值是尿素的220倍.
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钱鹰等人1998年合成了10个二茂铁衍生物,其结
构如下:
43
其他有机化合物
★ 2,6-二叔丁基二氢茚酮苯胺系列衍生物的合成:
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7.7 发光材料
颜色的基本概念
颜色是一种和物理、生理及心理学有关的复杂现象。 周易——老子——五行——五色 周易认为:天地万物由太极、阴阳之道所生。 老子认为:一阴一阳之谓道,道生一,一生二, 二生三,三生万物。 万物用五行表示。五行生五色 五色为五行的象征,是天地四时万物本身色彩的一种 高度概括和抽象。
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周易——老子——五行——五色
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。
金 白 西 义
木 青 东 仁
水 黑 北 智
火 赤 南 礼
土 黄 中 信
五行生五色 五色代表五方和四时
儒家色彩。五色定为正色
道家崇尚黑色
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光度学和色度学
颜色分类:
颜色:非彩色:白、灰、黑 彩色:赤、橙、黄、绿、 青、蓝、紫及中间色
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光度学
度量光的强弱(大小)和方向的一门科学. 基本单位: 光通量--------发光体的 发光强度-----发光体的 亮度------发光体 反射体----受照体照明后的反 射光 照度-----------受照体的
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