新型粉末材料的非線性光學特性研究

摘 要：多年來人們對粉末物質的非線性光學性質的研究非常重視，出現過很多種處理方法。介紹了非常簡便易行的處理方法，并用這種方法檢測了新合成的插層高嶺土材料的非線性光學性質初步研究結果，測量了它的光強角分布情況，觀察到在其反射角和透射角附近光強都有一個峰值，但在小角度入射的情況下反射散射的峰值不會與法向的強度值偏離很大，透射散射的強度會隨入射角度的減小而增強。

關鍵詞：粉末樣品;插層復合物;非線性光學材料;相位匹配

中圖分類號：O43文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）08-0369-02

1 引言

隨著科學的迅速發展，新材料不斷出現，人們對材料的非線性光學性質很關注。測量物質的非線性光學性質的方法很多，如：場誘導二次諧波(EFISHG)、溶劑變色法、電暈極化法(基于電光系數測量和二次諧波的測量)和Kurtz粉末法，前兩種方法用于溶液的測量，能獲得有機分子的一階超極化率(以測定極化聚合物薄膜的二階非線性系數，從而推算出摻雜或功能化極化聚合物薄膜中生色團分子的β值)。上述三種方法均可獲得分子的β值，而Kurtz粉末法測量的是粉末產生的二次諧波(SHG)信號，盡管不及上述方法精確，但直接反映出了NLO微晶的光學性質，既可半定量評價其非線性光學性質，又可指導NLO晶體生長。本實驗自己設計了一套處理粉末樣品而不同于Kurtz粉末法的實驗方法，研究了插層高嶺土材料粉末的NLO性質。

2 樣品的制備

純高嶺土在出現層狀結構001面的特征衍射峰值，根據Bragg方程可計算出高嶺土片層間距為0.715nm。通過向高嶺土的層間填加有機化合物我們制備成了兩種插層高嶺土，一種是高嶺土/對硝基苯胺（PNA/Kao）插層復合物，這是將純對硝基苯胺（PNA）通過一定的手段插入到高嶺土的層內得到的；另一種是高嶺土/苯甲酰胺（BZ/Kao）插層復合物，它是將純苯甲酰胺（BZ）滲入到高嶺土的層內得到的。

這兩種插層復合物均為粉末狀，為便于實驗中的夾固我們將這些粉末晶粒用KBr黏結制成薄片狀。同時，我們還將純KBr、純對硝基苯胺（PNA）、純苯甲酰胺（BZ）和純高嶺土用相同的方法制成片狀，以便區分插層復合物本身的性質和參加制備樣品的各成分的性質，排除干擾現象，從而獲得插層復合物本身的一些特有的光學性質，為分析復合物的結構或各成分含量等提供依據。

3 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，當入射光以一定的角度 入射時，在反射與透射反射與透射方向都將有信號，圖1為透射式探測，倍增管與入射光在樣品的兩側，若要檢測反射的信號，倍增管（PMT）與入射光在樣品的同一側，我們測量了兩種探測方式的散射光強角分布。采用148型激光功率計算，在入射角固定的情況下，測量了在不同散射角處不同材料對應的散射光功率。

圖1

我們采用波長632.8nm的He-Ne激光器作為激發源，對于非相位匹配材料，樣品對632.8nm的散射的角分布與1064nm的散射角分布以及532nm的散射角分布相同，所以固定He-Ne激光對樣品的入射方向，用激光功率計來探測不同方向上的散射光可以得到不同入射角對應的散射光強角分布。

4 光強角分布圖

圖2 純粉末狀PNA/Kao的散射光強角分布

圖3 黏結的PNA/Kao不同入射角對應的光強角分布

圖4 不同入射角時純粉末PNA/Kao的散射光強角分布

圖5 黏結的PNA/Kao對不同入射角的散射光強角分布

通過上面的操作我們得到了用KBr黏結的高嶺土/對硝基苯胺（PNA/Kao）插層復合物的光強角分布圖。

此處我們不僅考慮了前向的光強角分布，而且討論了各種角度入射時的后向散射光強角分布。我們還同時測量了純粉末樣品和黏結的粉末樣品的強角分布，以探討樣品制備方面的一些問題。

5 結果討論

從以上的實驗結果我們可以看出，在反射角和透射角附近光強都有一個峰值，但在小角度入射的情況下，反射散射的峰值不會與法向的強度值偏離很大，但透射散射的強度會隨入射角度的減小而增強。產生這種結果的原因我們歸結為以下幾條：

（1）產生反射散射的峰值主要是由于粒子尺寸相比于光斑截面尺寸很小，可以把樣品粒子視為小的球狀顆粒， 在反射散射過程中散射光強呈現一定的統計分布性，從而在反射角上出現光強的極大值。

（2）產生透射散射峰值的原因很明顯，主要是由于粉末樣品層較薄，入射光強的很大一部分受到散射的影響較小，直接或以很小的散射角透過，因而在透射方向上有極大值。

（3）衰減系數的影響。當光正入射時，由漫反射引起的衰減存在一個穿透深度，光由內層粒子散射后也要經過同樣的漫反射，存在同樣的穿透深度問題。穿透深度L與衰減系數間定義為：衰減系數越大，穿透深度越小，內層的散射光受到散射的次數越少，漫反射回空氣中的光強也越大。

（4）同時我們還看到了以上曲線不夠平滑，而且強度分布很不均勻（峰值角度處的光功率遠大于其他角度處），這主要是粒子大小不均勻以及粒子在受光面的分布不均勻所致。

除以上的結果我們還發現，不論是純粉末狀材料還是黏結后的粉末樣品，在絕大多數的區域，對相同的散射角度入射角越大，散射的光強度越小，也就是說入射角越大，散射光強度就越集中于某個角度而分散越小。

此處我們對光強角分布的討論不僅僅是單純地討論光強是如何分布的，更重要的是我們要從光強的角度分布中獲取有關粒子大小、粒子間距等方面的信息，為樣品的制備提供實驗上的支持。

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