精心制作的有机分子具有很强的光学非线性，从而实现了一种新型有机非线性光学材料，并且该材料有望在高速调制及三维微加工等领域找到用武之地。
人们对有机非线性材料的研究可以追溯到几十年前，但直到最近才取得实用性成果。Lumera公司已经开发出一系列基于有机非线性材料的高速电光调制器，其数据速率可达100Gbit/s。具有很强双光子吸收的有机化合物已被用于演示一种新型超高精度三维微加工技术。美国国防部高等研究计划局（DARPA）以及国家科学基金会目前正在为这些雄心勃勃的开发项目提供资助。
有机材料的承诺与风险
对于任何使用塑料元件的建议，大多数人的第一反应是要小心谨慎。塑料光学元件存在若干性能上的不足，包括耐用性较差、变色、吸收大以及内部不均匀等，这些问题至今仍未解决。举一个发生在我身上的例子。去年我用的一副眼镜的性能变差，几乎无法使用，因为高折射率的塑料镜片变黄且镀层脱落。眼镜商承认，这些塑料镜片的使用寿命并不长。
新一代有机非线性材料采用一种不同的设计方法来提供优异的性能。有机化合物的结构变化无穷，化学家们已经知道如何产生具有极强非线性光学性质的新型分子。光敏分子被称为发色团，通常它们体型较大、结构复杂，并
且通过专家的特定设计以提供所需的非线性性质。美国CaseWesternReserve大学的KennethSinger指出：非线性效应源自对于较大发色团分子中若干原子共用的共轭电子性质的操控。发色团自身可以形成玻璃状材料，还可以作为边链添加到其他聚合物形成的化合物中，或者是溶解到聚合物之中。Singer说：“这对于化学家而言是名副其实的游乐场。我们将只专注于光学方面，而把那些细节留给化学家。”
该项研发的一期目标是获得所需的高非线性，但研发人员面临折中选择。非线性光学材料必须能够承受大的光强，并且在正常工作温度下使用。通常有机光学材料的光散射损耗要比无机晶体大，但由于非线性较大，因此可以选用更小的装置以补偿这种损耗。
电光调制器
材料折射率随外加电场变化而显著变化的效应称为电光效应，它是一种二阶非线性效应。电光效应已被广泛用于外部调制器，例如在Mach-Zehnder干涉仪的两臂施加不同的电压能够改变相对相位延迟，从而对输出强度进行调制。
铌酸锂是用于高速调制的最佳无机晶体，调制速度高达40Gbit/s，但需要施加相对较高的驱动电压以获得足够的折射率变化，才能得到所需的相移。最好的周期性极化有机电光材料（单位电压变化引起的以pm表示的相移用r33系数表征）于10年前就已超过了铌酸锂的30pm/V，并且目前是该数值的15倍（见图1）。
传感器免遭光学过载以及人眼免受激光损伤。这些应用都属于DARPA的“超分子光子学工程”项目的研究目标。
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图3.线性材料中，输出功率正比于输入功率。双光子吸收是一
种非线性过程，吸收强度随入射功率增大而增大。该效应能够吸收
大量的入射光子并且最终对输出功率进行限制。双折射及其他应用
研究人员还演示了有机材料的双折射性质，尽管直到最近双折射值膎还是小于商用方解石的双折射值0.172。目前SimonFraser大学DanielLeznoff的研究小组合成了一族配位聚合物，其双折射值在546nm处高达0.43。
Leznoff指出：“该材料同样能够用于那些使用诸如方解石等双折射固体材料的领域。”更高的双折射允许装置的体积更小。此外，有机材料的特性能够通过对灵活的合成过程进行调整而发生改变，这与方解石不同，因为它的特性是由晶体本身的性质决定的。这将允许选择合适的工作波长。在实验室中，样品能够在几个月的时间内保持稳定，并且能够承受几百摄氏度的高温。
此外，人们还在研究有机非线性材料的其他应用。将飞秒激光脉冲聚焦到有机非线性分子中能够产生太赫兹短脉冲辐射。有机非线性材料还可用于生物医学成像与传感领域。目前人们正研究双光子吸收在光动力学疗法中的应用，有机光折变材料也在开发之中。将有机非线性材料用于光子晶体将实现光学性质的波长调谐。
前景展望
诚然，有机非线性材料还存在若干局限性。没有人会期待它们的温度特性可以与无机晶体相媲美；也没有人会对有机材料中的二次谐波产生感兴趣，因为这需要很高的光功率密度。有机非线性材料还有很多技术挑战等待克服。
然而，华盛顿大学的LarryDalton认为，有机非线性光学的真正意义并不在于简单的替代现有装置当中的无机晶体，而在于推动新兴应用以及新的产品设计理念的出现，例如将有机材料与硅光子器件相集成，以及双光子光刻这种新概念的开发。当然，有机非线性材料应用前景并不仅仅限于这些。
参考文献
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