[发明专利]一种咪唑盐类非线性光学材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种咪唑盐类非线性光学材料及其制备方法与应用，特别涉及一种具有二阶非线性光学性质的含咪唑基的有机盐分子的合成及其晶体的生长，属于光学材料技术领域。

背景技术

非线性光学(nonlinear optics,NLO)是现代光学的一个新领域。介质在强激光场作用下产生的极化强度与入射辐射场强之间不再是线性关系，而是与场强的二次、三次以及更高次项有关，这种关系称为非线性。凡是与非线性有关的光学现象称为非线性光学现象。

随着新型材料和非线性光学领域的高速发展，非线性光学材料在信息通讯、激光二极管、图像处理、光信号处理及光计算等众多领域都具有非常重要的作用和巨大的潜力。一般说来，具有频率转换效应、电光效应和光折变效应的晶体统称为非线性光学晶体。早期对非线性光学材料的研究主要集中在无机晶体上，分为：（1）无机盐类晶体,包括硼酸盐、磷酸盐、碘酸盐、铌酸盐、钛酸盐等；（2）半导体型非线性光学晶体,包括Te、Se、GaAs、ZnSe、CdGeAs₂和CdGe(As_1-2xP)₂等。其中性能优异的无机晶体材料目前已广泛应用于激光倍频、电光调制、参量振荡、光计算、光数据处理等诸多领域。

相对于无机非线性材料，有机非线性材料具有以下优点：(1)非线性系数高，有机化合物的非线性系数要比已经实用的无机晶体高1-2个数量级。(2)响应时间快，无机材料的极化是由于晶格畸变造成的，而有机化合物的非线性光学效应是由于共轭体系和范德华力引起的，电子激发的响应时间(10^-14-10^-15秒)要比晶格畸变的快10³倍。(3)介电常数低，其较低的RC时间常数可获得大的带宽(高于10GHz),器件可以有小的驱动电压，并能够将光波与毫米波的速度失配降到最低，有可能实现高频调制，并且，介电常数在低频和高频区域相差不大,可大大改进相位匹配。(4)激光损伤阈值高，能达到GW·cm^-2。(5)有机分子种类和结构多种多样,分子较易剪裁和修饰，可根据非线性光学效应的要求进行分子设计。(6)有机非线性材料具有优异的可加工性，能以晶体、薄膜、块材、纤维等多种形式进行利用，与现在的半导体工业有更好的兼容性，等等。

理论研究和实验结果表明，具有二阶非线性效应的有机晶体具有非中心对称的空间群。而具有中心对称结构的化合物是不可能有二次谐波产生的。但是，实验表明，75%的有机分子所形成的晶体为中心对称的空间群结构，所以，设计合成具有非对称结构的晶体是非常重要的。在有机非线性材料的设计时，要得到具有大的宏观非线性响应的材料，首先要合成具有大的二阶分子超极化率β的非线性分子.具有二阶非线性活性的有机分子通常具有以下特点：（1）易极化；（2）不对称的电荷分布；（3）具有共轭π电子体系。一般来说，有机非线性分子的结构应包括电子给体、电子受体和接连二者的π电子桥。

理论计算和实验结果已经证明，有机分子的离域π电子以及分子内电子给体和电子受体之间的电荷转移对分子的非线性极化率起了决定性的作用。因为含有共轭π键的有机分子具有高的二阶非线性光学系数，在这种共轭体系中若再引入给电子基团或吸电子基团，则在分子中导致不对称的电荷分布而有利于增大分子的非线性光学系数。并且，推电子基团和拉电子基团的电负性相差越大，电荷转移越明显，晶体的二阶非线性极化系数越大。电子给体一般是富电子并易于给出电子对的杂原子团，如烷氧基（-OR）、胺基（-NR₁R₂）等。电子接受体一般是缺电子并易于接受电子的基团，如硝基（-NO₂）、氰基（-CN）和羰基（-COR）等官能团。一般来说，提高分子的非线性的方法一般是通过引入具有更强的给电子或受电子能力的基团，或增加碳链的长度。