新型粉末材料的非線性光學(xué)特性研究(一)

1、新型粉末材料的非線性光學(xué)特性研究(一)    摘 要：多年來(lái)人們對(duì)粉末物質(zhì)的非線性光學(xué)性質(zhì)的研究非常重視，出現(xiàn)過(guò)很多種處理方法。介紹了非常簡(jiǎn)便易行的處理方法，并用這種方法檢測(cè)了新合成的插層高嶺土材料的非線性光學(xué)性質(zhì)初步研究結(jié)果，測(cè)量了它的光強(qiáng)角分布情況，觀察到在其反射角和透射角附近光強(qiáng)都有一個(gè)峰值，但在小角度入射的情況下反射散射的峰值不會(huì)與法向的強(qiáng)度值偏離很大，透射散射的強(qiáng)度會(huì)隨入射角度的減小而增強(qiáng)。關(guān)鍵詞：粉末樣品;插層復(fù)合物;非線性光學(xué)材料;相位匹配1 引言隨著科學(xué)的迅速發(fā)展，新材料不斷出現(xiàn)，人們對(duì)材料的非線性光學(xué)性質(zhì)很關(guān)注。測(cè)量物質(zhì)的非線性光學(xué)性質(zhì)

2、的方法很多，如：場(chǎng)誘導(dǎo)二次諧波(EFISHG)、溶劑變色法、電暈極化法(基于電光系數(shù)測(cè)量和二次諧波的測(cè)量)和Kurtz粉末法，前兩種方法用于溶液的測(cè)量,能獲得有機(jī)分子的一階超極化率(以測(cè)定極化聚合物薄膜的二階非線性系數(shù),從而推算出摻雜或功能化極化聚合物薄膜中生色團(tuán)分子的值)。上述三種方法均可獲得分子的值，而Kurtz粉末法測(cè)量的是粉末產(chǎn)生的二次諧波(SHG)信號(hào)，盡管不及上述方法精確，但直接反映出了NLO微晶的光學(xué)性質(zhì)，既可半定量評(píng)價(jià)其非線性光學(xué)性質(zhì)，又可指導(dǎo)NLO晶體生長(zhǎng)。本實(shí)驗(yàn)自己設(shè)計(jì)了一套處理粉末樣品而不同于Kurtz粉末法的實(shí)驗(yàn)方法，研究了插層高嶺土材料粉末的NLO性質(zhì)。2 樣品的制備

3、純高嶺土在出現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)001面的特征衍射峰值，根據(jù)Bragg方程可計(jì)算出高嶺土片層間距為0.715nm。通過(guò)向高嶺土的層間填加有機(jī)化合物我們制備成了兩種插層高嶺土，一種是高嶺土/對(duì)硝基苯胺（PNA/Kao）插層復(fù)合物，這是將純對(duì)硝基苯胺（PNA）通過(guò)一定的手段插入到高嶺土的層內(nèi)得到的；另一種是高嶺土/苯甲酰胺（BZ/Kao）插層復(fù)合物，它是將純苯甲酰胺（BZ）滲入到高嶺土的層內(nèi)得到的。這兩種插層復(fù)合物均為粉末狀，為便于實(shí)驗(yàn)中的夾固我們將這些粉末晶粒用KBr黏結(jié)制成薄片狀。同時(shí)，我們還將純KBr、純對(duì)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(qū)分插層復(fù)合物本身的性

4、質(zhì)和參加制備樣品的各成分的性質(zhì)，排除干擾現(xiàn)象，從而獲得插層復(fù)合物本身的一些特有的光學(xué)性質(zhì)，為分析復(fù)合物的結(jié)構(gòu)或各成分含量等提供依據(jù)。3 實(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，當(dāng)入射光以一定的角度 入射時(shí)，在反射與透射反射與透射方向都將有信號(hào)，圖1為透射式探測(cè)，倍增管與入射光在樣品的兩側(cè)，若要檢測(cè)反射的信號(hào)，倍增管（PMT）與入射光在樣品的同一側(cè)，我們測(cè)量了兩種探測(cè)方式的散射光強(qiáng)角分布。采用148型激光功率計(jì)算，在入射角固定的情況下，測(cè)量了在不同散射角處不同材料對(duì)應(yīng)的散射光功率。圖1我們采用波長(zhǎng)632.8nm的He-Ne激光器作為激發(fā)源，對(duì)于非相位匹配材料，樣品對(duì)632.8nm的散射的角分布與1064n

5、m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(duì)樣品的入射方向，用激光功率計(jì)來(lái)探測(cè)不同方向上的散射光可以得到不同入射角對(duì)應(yīng)的散射光強(qiáng)角分布。4 光強(qiáng)角分布圖圖2 純粉末狀PNA/Kao的散射光強(qiáng)角分布圖3 黏結(jié)的PNA/Kao不同入射角對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)角分布圖4 不同入射角時(shí)純粉末PNA/Kao的散射光強(qiáng)角分布圖5 黏結(jié)的PNA/Kao對(duì)不同入射角的散射光強(qiáng)角分布通過(guò)上面的操作我們得到了用KBr黏結(jié)的高嶺土/對(duì)硝基苯胺（PNA/Kao）插層復(fù)合物的光強(qiáng)角分布圖。此處我們不僅考慮了前向的光強(qiáng)角分布，而且討論了各種角度入射時(shí)的后向散射光強(qiáng)角分布。我們還同時(shí)測(cè)量了純粉末樣品和黏結(jié)的粉

6、末樣品的強(qiáng)角分布，以探討樣品制備方面的一些問(wèn)題。5 結(jié)果討論從以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以看出，在反射角和透射角附近光強(qiáng)都有一個(gè)峰值，但在小角度入射的情況下，反射散射的峰值不會(huì)與法向的強(qiáng)度值偏離很大，但透射散射的強(qiáng)度會(huì)隨入射角度的減小而增強(qiáng)。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因我們歸結(jié)為以下幾條：（1）產(chǎn)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(guò)程中散射光強(qiáng)呈現(xiàn)一定的統(tǒng)計(jì)分布性，從而在反射角上出現(xiàn)光強(qiáng)的極大值。（2）產(chǎn)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(qiáng)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(guò)，因而在透射方向上有極

7、大值。（3）衰減系數(shù)的影響。當(dāng)光正入射時(shí)，由漫反射引起的衰減存在一個(gè)穿透深度，光由內(nèi)層粒子散射后也要經(jīng)過(guò)同樣的漫反射，存在同樣的穿透深度問(wèn)題。穿透深度L與衰減系數(shù)間定義為：衰減系數(shù)越大，穿透深度越小，內(nèi)層的散射光受到散射的次數(shù)越少，漫反射回空氣中的光強(qiáng)也越大。（4）同時(shí)我們還看到了以上曲線不夠平滑，而且強(qiáng)度分布很不均勻（峰值角度處的光功率遠(yuǎn)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(jié)果我們還發(fā)現(xiàn)，不論是純粉末狀材料還是黏結(jié)后的粉末樣品，在絕大多數(shù)的區(qū)域，對(duì)相同的散射角度入射角越大，散射的光強(qiáng)度越小，也就是說(shuō)入射角越大，散射光強(qiáng)度就越集中于某個(gè)角度而分散越

8、小。此處我們對(duì)光強(qiáng)角分布的討論不僅僅是單純地討論光強(qiáng)是如何分布的，更重要的是我們要從光強(qiáng)的角度分布中獲取有關(guān)粒子大小、粒子間距等方面的信息，為樣品的制備提供實(shí)驗(yàn)上的支持。參考文獻(xiàn)1S. K. Kurtz2錢世雄，非線性光學(xué)原理與進(jìn)展J.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2000.3R. Takenawa，Y. Komori，etal. Intercalation of Nitroanilines into Kaolinite and Second Harmonic Generation. Chem. Mater. 2001,13, 3741-3746.45M.Kiguchi, M. Kato, etal. Technique for eva luating second-order nonlinear optical materials in powder form. J. Appl. Phys. 75(9), May 1994. P.P. 4332-4339.6王奎雄.“非線性光學(xué)”M.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1988.7譚維翰.“非線性與量