非線性光學材料研究現狀與應用前景

長春理工大學 陸欣男

引言：自科學家在紅寶石晶體中發現二次諧波造成的非線性光學現象以來，針對非線性光學現象的研究發展已有五十多年的歷史，并在非線性光學和非線性光學材料在理論知識和實踐經驗方面取得了一定的佳績，而自1999年某刊物評論了非線性光學和非線性光學材料的發展前景后，非線性光學材料在通訊、醫療、光學計算機和激光等領域的發展得到了進一步的深化，為進一步探索非線性光學材料在新領域的應用奠定了堅實的基礎，也為當前非線性光學材料的廣泛應用做出了重要的貢獻。

隨著我國經濟社會的快速發展和科技水平的進一步提升，光電子行業得到了應用，對光電功能材料的需求量進一步增加。與此同時，非線性光學材料作為光信息處理、激光技術、光通信等行業的基礎材料得到了社會各界人士的密切關注，它的發展也在一定程度上影響著我國光電子產業的進一步壯大。在此背景下，本文從非線性光學材料有關的基礎理論知識出發，重點探討了無機非線性光學材料、有機非線性光學材料和無機有機雜化材料等，并進一步對非線性光學材料的實際應用做出了一定的探討，旨在為我國非線性光學材料的進一步發展帶來一定的思考和啟迪。

1.非線性光學材料概述

非線性光學材料是指受外部環境中電場、光場、應變場等影響而改變原有頻率、相位等，進而使材料光吸收、光散射和折射率等發生變化的一大類材料。非線性光學現象則是指當激光束作為光源時，激光和介質之間相互作用而產生的導致光能倍頻、差頻、參量等發生改變引起諧波的現象。人們可利用非線性光學材料的倍頻和三倍頻能力進一步優化有線電視、通信光纖等信號轉換器的質量，并可將其應用于放大器、整流透鏡、倍頻器等實際應用過程中。此外，人們還可利用非線性光學材料的混頻現象有效實現對弱光信號的有效強化，利用材料的非線性響應功能實現光記錄和光計算等，進一步擴大非線性光學材料在激光、醫療、通信等行業中的應用。

2.非線性光學材料分類

2.1 無機非線性光學材料

無機非線性光學材料主要包括紅外材料、可見紅外區材料和紫外材料等三大類。紅外材料大多是半導體器件的首選材料，可見紅外區材料組成包含了有磷酸鹽、碘酸鹽和碘酸等，紫外材料則大多由硼酸鹽晶體組成。通常情況下，無機非線性光學材料的化學性質較為穩定，允許各向異性的離子進行交換。同時，無機非線性光學材料大多呈現高純度的晶體形式，是導波器制備重要的備選材料之一。

2.2 有機非線性光學材料

眾所周知，在非線性光學材料研究發展的初期，有關研究人員就發現了二硝基苯胺、尿素等具有較強光電耦合性、高響應值和大光學系數的具有非線性光學效能的一系列有機物。目前，隨著有機非線性光學材料的進一步應用和廣泛推廣，有著易修飾、易加工、反應速度快等優良特性的有機材料得到了更進一步的發展，大致可將有機非線性光學材料分為有機低分子非線性光學材料、高聚物非線性光學材料和金屬有機配合物非線性光學材料等種類。有機低分子非線性光學材料是尿素及其衍生物、二苯乙烯類化合物、有機鹽類等富含發色團的擁有近紫外吸收作用的小分子化合物的總稱，具有易極化、易加工、易成型和較大非線性光學系數等優點，對開發新型結構材料起著重要的作用。高聚物非線性光學材料不僅具有較大非線性光學系數、較快響應速度等優點，更有著共價鍵連接而成的分子鏈具有的化學穩定性強、結構可變性強、機械強度好等獨特優勢，在制作光調制器件、光計算有關網絡、光開關器件等方面有著良好的應用前景。金屬有機配合物非線性光學材料是金屬羥基配合物、金屬多炔聚合物等重要光學材料的化合物總稱。在金屬有機配合物非線性光學材料化學性質的影響因素中，配體、金屬性質、分子構型等影響因素起著不可忽視的作用，研究人員可通過改造、設計或合成新型配體以促進配合物研究的進一步發展，從而推動金屬有機配合物非線性光學材料的應用。

2.3 無機/有機雜化材料

無機/有機雜化非線性光學材料是通過成鹽、溶膠、凝膠等方法將有機功能分子或聚合物滲入無機網絡中形成的兼具無機非線性光學材料和有機非線性光學材料優勢的新型材料。例如，通過溶膠技術等制備的有機/無機雜化材料，不僅能降低相應的分解溫度，降低材料的生產制備成本，更能在一定程度上提升非線性光學材料的熱穩定性能和成膜性能，為某些特殊半導體玻璃的制備奠定堅實的基礎。

3.非線性光學材料的實際應用與展望

目前，隨著我國光電子技術的快速發展，人們對光電材料各項性能的要求不斷提升，無機非線性光學材料在光通信系統、光電轉換以及光發射、倍頻、振蕩、調頻等行業中的應用越來越廣泛。如圖1所示，即為有關研究人員利用有機低分子非線性光學材料合成的相應化合物在濃度為0.01mol/L的CHCl2、CH2Cl3、DMF、PhCH2OH溶液中的雙光子熒光光譜圖，通過對圖形的研究和分析可知，由此制備的化合物對激光具有明顯的限幅效應，為進一步提升近紅外線脈沖激光限幅器的性能做出了重要的貢獻。同時，響應速度較快的具有二階三階非線性極化系數的有機高聚物非線性光學材料、兼備有機和無機材料優勢的金屬有機配合物非線性光學材料和有機/無機雜化材料等都可通過研究人員對其的優化改良、設計合成等方式為未來光電市場的進一步擴大做出重要的貢獻。

圖1 某化合物雙光子熒光光譜示意圖

4.結語

總之，21世紀是光電子產業迅猛發展的時期，非線性光學材料有關研究人員應在牢牢掌握相關理論知識的前提下，順應時代發展的潮流和市場的實際需求，為非線性光學材料的進一步研發做出一定的努力，為我國光電子技術的發展貢獻重要的價值。