新型有机晶体L-苹果酸脲的非线性光学性质研究

论文摘要

非线性光学材料在高速光通信、光信息处理、高密度光存储等领域得到了广泛的应用。有机材料因其非线性系数大、响应速度快、损伤阈值高、介电常数低、可加工性好而日益成为非线性光学材料研究的热点。但是,大的非线性光学系数往往伴随着长的吸收波长,导致透明范围变窄。这就是所谓“非线性-透光性矛盾”。本文首先综述了优化“非线性-透光性矛盾”的有机材料的几种研究策略,即在发色团设计层面的选择特殊的共轭桥、寻求给、受体强度的最佳组合和设计双（多）重电荷转移分子以及在晶体设计层面的构建有机包结络合物。本文研究一种新型有机包结络合物L-苹果酸脲,该材料为手性分子L-苹果酸与尿素分子以氢键结合形成的一种高度非中心对称的有机晶体,很好地平衡了“非线性-透光性矛盾”。本文采用粉末倍频法研究了ULMA的二阶非线性光学效应,实验结果表明ULMA的非线性光学系数为KDP的1.57倍（1064 nm基频波）,并且其激光损伤阈值接近KDP的2倍;首次对ULMA进行了宽带倍频研究,发现其在900～1300 nm范围均有明显的倍频效应,得到了此范围的非线性系数的色散曲线。采用HRS法测量了ULMA的一阶超极化率,实验结果显示其β值与底物尿素相当,即保持了尿素的良好的非线性光学性质。对ULMA晶体进行了相位匹配研究,数值模拟了第I类和第II类相位匹配曲线,为今后ULMA相位匹配的实验研究打下了基础。根据ULMA的结构特点采用手性非线性极化理论中的螺旋单电子模型分析了ULMA的一阶超极化率的色散关系,计算结果与实验结果吻合良好,证明了模型和参数选择的正确性。讨论了微观参量对一阶超极化率的影响,分析和计算表明阻尼系数Γ表征了材料的非线性转换效率;固有频率ω0、螺距ξ和回旋半径ρ共同影响着β的峰值位置、形状和大小。β的峰值频率正比于材料的固有频率ω0,并小于固有频率,其对固有频率的偏离则取决于ρ/ξ。因此,在设计兼备大的二阶非线性光学系数与良好光学透过率的有机复合物材料的过程中,选择不同的手性分子作为有机包结络合物主体,再辅以分子修饰等手段,可以在较大范围内调节ρ/ξ的比值,以获得所需要的非线性光学响应。首次制备了ULMA晶体薄膜,该薄膜保持了晶体的良好的非线性光学性质。运用热分析手段研究了ULMA薄膜形成机理,实验结果表明ULMA蒸发温度低于底物尿素和苹果酸的分解温度,因此采用热蒸发法制备ULMA晶体薄膜成为一种可行的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 非线性光学效应及其应用
• 1.2 非线性光学材料
• 1.3 兼备大的二阶非线性系数与良好光学透明性的有机非线性光学材料的研究策略
• 1.4 本文的研究内容
• 参考文献
• 第二章 L－苹果酸脲的制备及结构性质
• 2.1 引言
• 2.2 L－苹果酸脲的合成及表征
• 2.3 L－苹果酸脲的晶体结构
• 2.4 L－苹果酸脲的基本性质
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 L-苹果酸脲的二阶非线性光学性质
• 3.1 非线性极化过程的基础知识
• 3.1.1 光学非线性的起源
• 3.1.2 光学介质的非线性感应电极化效应
• 3.1.3 非线性作用的耦合波方程
• 3.1.4 二次谐波产生
• 3.2 二阶非线性光学系数的测量方法
• 3.3 ULMA 的二阶非线性光学性质
• 3.3.1 ULMA 的粉末倍频研究
• 3.3.2 ULMA 的宽带倍频研究
• 3.3.3 ULMA 的HRS 研究初步
• 3.4 ULMA 的相位匹配分析
• 3.4.1 光学二次谐波的基本理论
• 3.4.2 相位匹配
• 3.4.3 ULMA 的相位匹配
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 应用手性分子的非线性极化模型分析L－苹果酸脲的二阶非线性光学性质
• 4.1 引言
• 4.2 手性分子的非线性极化模型
• 4.2.1 螺旋单电子模型
• 4.2.2 耦合双振子模型
• 4.2.3 双各向异性基团分子模型
• 4.3 应用螺旋单电子模型分析ULMA 的一阶超极化率
• 4.3.1 一阶超极化率β
• 4.3.2 模型参数的确定
• 4.3.3 ULMA 的一阶超极化率
• 4.3.4 微观参数对一阶超极化率的影响
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 L－苹果酸脲薄膜制备及性质研究
• 5.1 引言
• 5.2 晶体薄膜的制备方法
• 5.3 薄膜的生长、结构与缺陷
• 5.3.1 薄膜的生长
• 5.3.2 薄膜的结构
• 5.3.3 薄膜的缺陷
• 5.3.4 影响薄膜成核和生长的因素
• 5.4 ULMA 薄膜的制备及其性质
• 5.4.1 ULMA 薄膜的制备
• 5.4.2 ULMA 薄膜性质及其与ULMA 晶体性质的比较
• 5.4.3 制备条件对ULMA 性质的影响
• 5.5 热分析方法
• 5.6 ULMA 薄膜形成机理分析
• 5.7 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 下一步工作的打算
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的其他学术成果