非线性光学材料研究现状与应用前景

2018-12-06长春理工大学陆欣男

电子世界 2018年22期

长春理工大学陆欣男

引言：自科学家在红宝石晶体中发现二次谐波造成的非线性光学现象以来，针对非线性光学现象的研究发展已有五十多年的历史，并在非线性光学和非线性光学材料在理论知识和实践经验方面取得了一定的佳绩，而自1999年某刊物评论了非线性光学和非线性光学材料的发展前景后，非线性光学材料在通讯、医疗、光学计算机和激光等领域的发展得到了进一步的深化，为进一步探索非线性光学材料在新领域的应用奠定了坚实的基础，也为当前非线性光学材料的广泛应用做出了重要的贡献。

随着我国经济社会的快速发展和科技水平的进一步提升，光电子行业得到了应用，对光电功能材料的需求量进一步增加。与此同时，非线性光学材料作为光信息处理、激光技术、光通信等行业的基础材料得到了社会各界人士的密切关注，它的发展也在一定程度上影响着我国光电子产业的进一步壮大。在此背景下，本文从非线性光学材料有关的基础理论知识出发，重点探讨了无机非线性光学材料、有机非线性光学材料和无机有机杂化材料等，并进一步对非线性光学材料的实际应用做出了一定的探讨，旨在为我国非线性光学材料的进一步发展带来一定的思考和启迪。

1.非线性光学材料概述

非线性光学材料是指受外部环境中电场、光场、应变场等影响而改变原有频率、相位等，进而使材料光吸收、光散射和折射率等发生变化的一大类材料。非线性光学现象则是指当激光束作为光源时，激光和介质之间相互作用而产生的导致光能倍频、差频、参量等发生改变引起谐波的现象。人们可利用非线性光学材料的倍频和三倍频能力进一步优化有线电视、通信光纤等信号转换器的质量，并可将其应用于放大器、整流透镜、倍频器等实际应用过程中。此外，人们还可利用非线性光学材料的混频现象有效实现对弱光信号的有效强化，利用材料的非线性响应功能实现光记录和光计算等，进一步扩大非线性光学材料在激光、医疗、通信等行业中的应用。

2.非线性光学材料分类

2.1 无机非线性光学材料

无机非线性光学材料主要包括红外材料、可见红外区材料和紫外材料等三大类。红外材料大多是半导体器件的首选材料，可见红外区材料组成包含了有磷酸盐、碘酸盐和碘酸等，紫外材料则大多由硼酸盐晶体组成。通常情况下，无机非线性光学材料的化学性质较为稳定，允许各向异性的离子进行交换。同时，无机非线性光学材料大多呈现高纯度的晶体形式，是导波器制备重要的备选材料之一。

2.2 有机非线性光学材料

众所周知，在非线性光学材料研究发展的初期，有关研究人员就发现了二硝基苯胺、尿素等具有较强光电耦合性、高响应值和大光学系数的具有非线性光学效能的一系列有机物。目前，随着有机非线性光学材料的进一步应用和广泛推广，有着易修饰、易加工、反应速度快等优良特性的有机材料得到了更进一步的发展，大致可将有机非线性光学材料分为有机低分子非线性光学材料、高聚物非线性光学材料和金属有机配合物非线性光学材料等种类。有机低分子非线性光学材料是尿素及其衍生物、二苯乙烯类化合物、有机盐类等富含发色团的拥有近紫外吸收作用的小分子化合物的总称，具有易极化、易加工、易成型和较大非线性光学系数等优点，对开发新型结构材料起着重要的作用。高聚物非线性光学材料不仅具有较大非线性光学系数、较快响应速度等优点，更有着共价键连接而成的分子链具有的化学稳定性强、结构可变性强、机械强度好等独特优势，在制作光调制器件、光计算有关网络、光开关器件等方面有着良好的应用前景。金属有机配合物非线性光学材料是金属羟基配合物、金属多炔聚合物等重要光学材料的化合物总称。在金属有机配合物非线性光学材料化学性质的影响因素中，配体、金属性质、分子构型等影响因素起着不可忽视的作用，研究人员可通过改造、设计或合成新型配体以促进配合物研究的进一步发展，从而推动金属有机配合物非线性光学材料的应用。

2.3 无机/有机杂化材料

无机/有机杂化非线性光学材料是通过成盐、溶胶、凝胶等方法将有机功能分子或聚合物渗入无机网络中形成的兼具无机非线性光学材料和有机非线性光学材料优势的新型材料。例如，通过溶胶技术等制备的有机/无机杂化材料，不仅能降低相应的分解温度，降低材料的生产制备成本，更能在一定程度上提升非线性光学材料的热稳定性能和成膜性能，为某些特殊半导体玻璃的制备奠定坚实的基础。

3.非线性光学材料的实际应用与展望

目前，随着我国光电子技术的快速发展，人们对光电材料各项性能的要求不断提升，无机非线性光学材料在光通信系统、光电转换以及光发射、倍频、振荡、调频等行业中的应用越来越广泛。如图1所示，即为有关研究人员利用有机低分子非线性光学材料合成的相应化合物在浓度为0.01mol/L的CHCl2、CH2Cl3、DMF、PhCH2OH溶液中的双光子荧光光谱图，通过对图形的研究和分析可知，由此制备的化合物对激光具有明显的限幅效应，为进一步提升近红外线脉冲激光限幅器的性能做出了重要的贡献。同时，响应速度较快的具有二阶三阶非线性极化系数的有机高聚物非线性光学材料、兼备有机和无机材料优势的金属有机配合物非线性光学材料和有机/无机杂化材料等都可通过研究人员对其的优化改良、设计合成等方式为未来光电市场的进一步扩大做出重要的贡献。