介绍四种典型的非线性材料
非线性材料
非线性材料
非线性材料是指在外界作用下，其力学性质和物理性质不随应力的大小而等比例变化的材料。
与线性材料相比，非线性材料更具有复杂的力学行为和性质。
非线性材料具有以下特点：
1. 力学性质的非线性：非线性材料在不同应力或应变条件下会表现出不同的力学行为，如弹性、塑性、黏弹性等。
2. 热性质的非线性：非线性材料在温度变化时会发生形态和性质的改变，如热膨胀、热变形等。
3. 电性质的非线性：非线性材料在电场作用下会发生电极化、电导率变化等非线性效应。
4. 光学性质的非线性：非线性材料在光场作用下会发生非线性光学效应，如光电效应、非线性折射等。
非线性材料的应用十分广泛，尤其在科技领域中起着重要作用。
以下是非线性材料的几个应用领域：
1. 光通信：非线性光学材料可以用于制造高效率的波分复用器、光放大器等光学器件，以及用于光学交换机、全光网络等光通信设备。
2. 激光技术：非线性光学材料可以用于制造高功率激光器、激
光器的倍频器和混频器等光学器件，以及用于激光医疗、激光制造等领域。
3. 光学传感：非线性光学材料可以用于制造高灵敏度的光学传感器，应用于环境监测、生命科学、医疗诊断等领域。
4. 光学计算：非线性光学材料可以用于制造光学计算器件，用于光学计算机、光学存储等领域。
5. 生物医学：非线性材料在生物医学领域有着广泛的应用，如用于成像、光谱分析、治疗等。
非线性材料的研究和应用为人类的科技进步和生活带来了许多便利和创新。
随着科技的发展和需求的增加，对非线性材料的研究和应用将会更加深入和广泛。
主要的非线性光学材料
一、材料的非线性极化
材料的非线性光学效应：
强光场或其它外加场的扰动 非线性极化引起材料光学性质的变化，
导致不同频率光波之间的能量耦合，
从而是入射光波的频率、振幅、偏振及传播方向发生改变。
材料由较弱光波电场E j引起的电极化强度Pi满足线性关系： Pi 0 ij E j
二、主要的非线性光学材料
内容简介： 多波长激光器是一种特殊激光光原，可同时输出不同波长的几种相干光，因 在光谱学、非线性光学、原子分子物理、医学研究、光通讯、污染检测及高精 密测量等科技领域有广泛应用而受到重视。自1973年首次实现Nd:YAG晶体双 波长激光器以来，如今多波长激光器已有十种，涉及气体、固体和液体多种类 型，但这些多波长激光器的综合性能有限：如输出波长少，功率低，调谐范围 不宽或使用不便等等。 本发明的多波长光参量激光器 是一种新型多波长激光源，其基本原理是发明 人的两个科学发现：(a)非线性晶体LBO(LiB3O5)的相位匹配折返现象；(b)此 现象存在的普遍性理论证明。主要内容是利用LBO晶体的相位匹配折返特性， 采用可快速响应的角度调谐方法，以宽频带高效率光参量放大特别设计光路、 高精度波长再现性精密机械设计和计算机技术开发成功多波长光参量激光器产 品。与已有的各种多波长激光器相比，在调谐范围、调谐速度、输出功率、输 出波长数，超短脉冲特性等主要技术性能方面具有明显的优势，尤其是可调谐 宽度有量级的提高，因此相应拓宽了多波长激光器的应用。目前多波长光参量 激光器产品已提供国内外，用于材料科学、非线性光学和光谱研究，均获成功 ，市场正在扩大中。
非线性光学材料的 性能及其改进
一、材料的非线性极化
光与材料的相互作用：
入射光波电场 材料的原子或分子体系 感生电偶极矩并进而辐射电磁波
(完整版)非线性光学材料小结
非线性光学材料一、概述20 世纪60 年代, Franken 等人用红宝石激光束通过石英晶体,首次观察到倍频效应,从而宣告了非线性光学的诞生，非线性光学材料也随之产生。
定义：可以产生非线性光学效应的介质（一）、非线性光学效应当激光这样的强光在介质传播时，出现光的相位、频率、强度、或是其他一些传播特性都发生变化，而且这些变化与入射光的强度相关。
物质在电磁场的作用下,原子的正、负电荷中心会发生迁移,即发生极化,产生一诱导偶极矩p 。
在光强度不是很高时,分子的诱导偶极矩p 线性正比于光的电场强度E。
然而,当光强足够大如激光时,会产生非经典光学的频率、相位、偏振和其它传输性质变化的新电磁场。
分子诱导偶极矩p 就变成电场强度E 的非线性函数,如下表示:p = α E + β E2 + γ E3 + ⋯⋯式中α为分子的微观线性极化率;β为一阶分子超极化率(二阶效应) ,γ为二阶分子超极化率(三阶效应) 。
即基于电场强度E 的n 次幂所诱导的电极化效应就称之为n 阶非线性光学效应。
对宏观介质来说,p = x (1) E + x(2) E2 + x (3)E3 + ⋯⋯其中x (1) 、x(2) 、x(3) ⋯⋯类似于α、β、γ⋯⋯,表示介质的一阶、二阶、三阶等n 阶非线性系数。
因此,一种好的非线性光学材料应是易极化的、具有非对称的电荷分布的、具有大的π电子共轭体系的、非中心对称的分子构成的材料。
另外,在工作波长可实现相位匹配,有较高的功率破环阈值,宽的透过能力,材料的光学完整性、均匀性、硬度及化学稳定性好,易于进行各种机械、光学加工也是必需的。
易于生产、价格便宜等也是应当考虑的因素。
目前研究较多的是二阶和三阶非线性光学效应。
常见非线性光学现象有：①光学整流。
E2项的存在将引起介质的恒定极化项，产生恒定的极化电荷和相应的电势差，电势差与光强成正比而与频率无关，类似于交流电经整流管整流后得到直流电压。
②产生高次谐波。
材料化学chapter8非线型光学材料
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（4）90年代至今，非线型光学材料逐渐多样化。 大量用于预测材料微观结构和宏观非线型材料性
质的精确计算开始出现，优化材料的综合性能，促 进材料的实际应用成为这一领域的重要研究方向。 三阶非线性光学材料的研究称为新的热点。
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8.1.2非线性光学晶体材料的 分类及研究概况
化学组成
无机材料 有机材料 半有机材料
就加工器件分类： 晶体、薄膜、块 状材料、纤维等 多种形式。
聚合物材料
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8.1.2.1无机二阶非线型光学材料
⑴ 磷酸氧钛钾KTiOPO4→KTP
是一种性能优异的非线型光学材料，有较大的非
线型光学系数，属正交晶系，非中心对称空间群，密
尿素晶体属于42m非中心对称点群，分子间存在很 强的氢键作用，晶体成长慢易吸潮，研制其应用。 21
8.1.2.2 有机二阶非线型光学材料
⑵ 硝基苯衍生物
是有机非线型光学材料中研究最多的一类材料。 1977年Oudar等研制的MAP(2,4-二硝基苯甲氨羧甲酯)， 其粉末SHG是尿素的20倍，晶体的倍频系数、SHG转 化率以及抗激光损伤阈值等性能均十分优良。
随着激光技术应用的日益广泛，作为物质载体的非 线型光学材料在光线通讯、光学信息处理和集成电路 等方面的重要应用，日益受到人们的广泛关注，称为 材料研究的热点。
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非线性光学材料的发展史
1961年，Francken及合作者将一束波长694.2 的 红宝石通过石英晶体时，产生了波长为347.1nm的 二次谐波，频率恰好是原来的两倍，这种现象我们称 之为倍频效应，是非线型光学效应的一种，其中相应 的材料教倍频材料，石英就是最早的倍频晶体材料。 开创了这一崭新的领域。
非线性光学晶体
非线性光学晶体非线性光学晶体对于激光强电场显示二次以上非线性光学效应的晶体非线性光学晶体是对于激光强电场显示二次以上非线性光学效应的晶体。
非线性光学晶体是一种功能材料，其中的倍频（或称“变频”）晶体可用来对激光波长进行变频，从而扩展激光器的可调谐范围，在激光技术领域具有重要应用价值。
1 介绍具有非线性光学效应的晶体。
广义指在强光或外场作用下能产生非线性光学效应的晶体。
通常将强光作用下产生的称为非线性光学晶体; 外场作用下产生的称电光、磁光、声光晶体。
此外，还有含共轭体系的有机分子组成的晶体或聚合物。
广泛应用的有KH2PO4(KDP)、NH4H2PO4(ADP)、CsH2A5O4(CDA)；KTiOPO4、KNbO3、NiNbO3、 Ba2NaNb5O15；BaB2O4(BBO)、LiB3O5(LBO)、NaNO2；GaAs、InSb、InAs、 ZnS等。
按状态分为块状、薄膜、纤维、液晶。
利用二阶非线性效应产生的倍频、混频、参量振荡及光参量放大等变频技术，可拓宽激光的波长范围，已应用于核聚变、医疗、水下摄影、光通信、光测距等方面。
2 三硼酸锂晶体简称LBO晶体。
分子式为 LiB3O5，属正交晶系，空间群为Pna2 的一种非线性光学材料。
福建物质结构研究所首次发现。
密度2.48g/cm，莫氏硬度6，具有较宽的透光范围（0.16～2.6μm），较大的非线性光学系数，高的光损伤阈值（约为KTP的 4.1倍，KDP 的1.83倍，BBO的2.15 倍）及良好的化学稳定性及抗潮解性。
可用于1.06μm激光的二倍频和三倍频，并可实现Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配。
用功率密度为350MW/cm的锁模Nd ：YAG激光，样品通光长度为11mm （表面未镀膜），可获得倍频转换效率高达60%。
LBO晶体可制作激光倍频器和光参量振荡器。
用高温溶液法可生长出光学质量的单晶。
3 三硼酸锂铯晶体CLBO晶体的基本结构与三硼酸铮和三硼酸铯相同，其阴离子基因中平面基团和四面体基团的结合是其大的非线性效应来源。
非线性光学材料的制备及应用
非线性光学材料的制备及应用光学材料是指能够与光线相互作用的物质，是光学技术发展的重要组成部分。
在光学材料中，非线性光学材料是一类非常特殊的材料。
它不仅具有线性光学材料的基本性质，还能在光场中引起较强的非线性光学效应，因此被广泛应用于光学通信、光学计算、光谱分析、激光工艺等领域。
本文将介绍非线性光学材料的制备及应用。
一、非线性光学材料的定义及分类非线性光学材料是指在强光场下的光学效应不遵守Maxwell方程组描述的线性响应原理。
简单来说，就是材料的光学特性不随光强线性增长。
非线性光学材料可分为三类：非线性吸收材料、非线性折射材料和非线性反常色散材料。
非线性吸收材料指在光强较大的情况下，材料中光子与物质之间发生强烈的相互作用，使得光子在通过材料时被吸收，从而导致光强的降低。
非线性折射材料既包括自焦材料，又包括非自焦材料。
自焦材料是指在高光强的情况下，光束会在材料中聚焦形成一个高亮度的光斑，从而形成自聚焦作用。
而非自焦材料则是指材料对光强的变化产生折射率的二次或高次非线性响应。
非线性反常色散材料则是指有一类材料，在光强较大时，其折射率随光强而发生反常变化。
也就是说，光经过这些材料后，波长会发生巨大的变化。
二、非线性光学材料的制备方法1. 化学合成法化学合成法是目前制备非线性光学材料最常用的方法之一。
其中，有机非线性光学材料合成合成方法比较多，而无机非线性光学材料主要采用溶胶-凝胶与热焙烧法各种方法。
2. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法制备非线性光学材料的优点是合成过程简单，可以获得高质量的单晶材料，可以制备各种形状的样品，如膜、粉末等。
3. 手性识别技术在制备非线性光学材料中，手性识别技术由于其特殊的手性结构，能够增强材料的非线性光学效应，因此逐渐被研究和发展。
手性识别方法主要包括手性液晶自组装、手性染料分子组合、手性配合物的合成等方法。
三、非线性光学材料的应用1. 光通信领域在光通信领域中，非线性光学材料有着重要的应用价值。
非线性晶体
一水甲酸锂晶体, 苹果酸钾晶体,磺酸水杨酸二钠晶体 L精氨酸磷酸盐晶体, 氘化LAP晶体； (2) 酰胺类晶体—尿素晶体； (3) 苯基衍生物晶体； (4) 吡啶衍生物晶体； (5) 酮衍生物晶体； (6) 有机金属络(配)合物晶体； (7) 聚合物晶体。
1、 激光频率转换(变频)晶体 非线性光学频率转换晶咋主要用于激光倍频、和频、差
频、多次倍频、参量振荡和放大等方面，以拓宽激光辐射 波长的范围，开辟新的激光光源等。
(1)红外波段的频率转换晶体 现有的性能优良的频率转换晶体，大多适用于可见光、 近红外和紫外波段的范围．红外波段，尤其是波段在5μm 以上的频率转换晶体，至今能得到实际应用的较少。
下能实现相位匹配，化学稳定性好，它是迄今为止的激光损
伤阂值最高的非线性光学晶体材料，已实现了光参量振荡输 出，对1. 06μm的Nd：YAG激光的倍频转换效率高达60%。
2、 电光晶体 电光晶体主要用于激光的调制、偏转和Q开关等技术
应用方面。主要的有：磷酸二氘钾[K(DxH1-x)2PO4]、铌酸 锂(LiNbO3)，钽酸锂(LiTaO3)，氯化亚铜(CuCl)和钽铌酸 钾(KtaxNb1-xO3)等晶体。
光折变晶体的非线性光学系数非常高，已做成增益因子 高达4000的光学放大器。
有应用价值的光折变晶体主要有：钛酸钡(BaTiO3)、铌 酸钾(KNbO3)、铌酸锂(LiNbO3)、以及上述掺Fe离子的三种
(晶B体SO、)晶铌体酸、锶铌钡酸(S锶r1-钡xB钾axN钠b[2KON6)a系(S列r1-、xB硅ax)酸0.9铋Nb(2BOi162，SiKON20S)BN]
三元化合物晶体 AgGaS2 晶体， AgGaSe2晶体, Ag2AsS3 晶体, CdGeAs2 晶体, TlAsSe2晶体， HgCdTe2晶体
材料非线性
材料非线性
材料非线性是指物理或化学状态的改变与能量的变化是不一定成正比的，其中有可能会发生突变、饱和或间歇等情况。
材料非线性可以分为热非线性、光学非线性和电化学非线性等几种类型。
热非线性指的是材料在温度变化中，其物理性质发生非线性变化，比如热膨胀系数、热容量、导热率等。
热非线性可以出现在金属、绝缘材料和复合材料等不同种类的材料中。
光学非线性指的是材料在光的照射下发生的非线性变化。
该类非线性变化包括局域热膨胀、非线性折射率、回折系数和发射光谱等。
当光的强度超过一定的强度阈值时，材料从线性变化中转变为非线性变化，会发生发光、发热等行为。
电化学非线性指的是涉及电荷转移反应的非线性变化。
该类非线性变化可以出现在一些电极反应中，如电池充放电过程中，电池容量会随着充放电次数的变化而发生非线性变化；同样，电极反应速率也会受到电位的变化而发生非线性变化。
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介绍四种典型的非线性材料
本文从材料的特性入手着重分析了物体的应力和应变。
弹塑性分析是工程上常见问通，工程上常用ANSYS软件解决这方面的问题，工程材料的塑性变形引起的非线性问题通常是弹塑性分析。
塑性变性引起的非线性问题—弹塑性分析，工程上常用ANSYS软件来完成这方面的工作。
塑性是一种在某种给定载荷下，材料产生永久变形的材料特性，对大多的工程材料来说，当其应力低于比例极限时，应力—应变关系是线性的，另外，大多数材料在其应力低于屈服点时表现为弹性行为也就是说当移走载荷时其应变也完全消失。
1、塑性材料的特性
由于屈服点和比例极限相差很小，因此在ANSYS程序中假定它们相同在应力—应变的曲线中低于屈服点的叫做弹性部分，超过屈服点的叫做塑性部分也叫做应变强化部分，塑性分析中考虑了塑性区域的材料特性。
1.1 路径相关性塑性是不可恢复的，那么这种问题就与加载历史有关，这类非线性问题叫做与路径相关的或非保守的非线性，路径相关性是指对一种给定的边界条件可能有多个正确的解，内部的应力应变分布存在为了得到真正正确的结果，我们必须按照系统真正经历的加载过程加载。
1.2 率相关性塑性应变的大小可能是加载速度快慢的函数，如果塑性应变的大小与时间有关这种塑性叫做率无关性塑性，相反与应变率有关的塑性叫做率相关的塑性。
大多的材料都有某种程度上的率相关性，但在大多数静力分析所经历的应变范围两者的应力应变曲线差别不大，所以在一般的分析中我们变为是与率无关的。
1.3 工程应力应变与真实的应力应变塑性材料的数据一般以拉伸的应力应变曲线形式给出材料数据，可能是工程应力与工程应变也可能是真实应力与真实应变。
大应变的塑性分析一般采用真实的应力应变数据，而小应变分析一般采用工程的应力应变数据。
1.4 塑性在什么时候激活当材料中的应力超过屈服点时塑性被激活也就是说有塑性应变发生而屈服应力本身可能是下列某个参数的函数:①温度;②应变率;③以前的应变历史;④侧限压力;⑤其它参数。
2、塑性理论简介
塑性理论的三个主要方面:屈服准则;流动准则;强化准则。
2.1 屈服准则
屈服准则对单向受拉试件我们可以通过简单的比较轴向应力与材料的屈服应力来决定是否有塑性变形发生，然而对于一般的应力状态是否到达屈服点并不是明显的，屈服准则是一个可以用来与单轴侧试的屈服应力相比较的应力状态的标t表示，因此知道了应力状态和屈服准则程序就能确定是否有塑性应变产生，屈服准则的值有时候也叫做等效应力，一个通用的屈服准则是Von Miles屈服准则当等效应力超过材料的屈服应力时将会发生塑性变形。
2.2.流动准则
流动准则描述了发生屈服时塑性应变的方向，也就是说流动准则定义了单个塑性应变分量等随着屈服是怎样发展的。
2.3.强化准则
强化准则描述了初始屈服准则随着塑性应变的增加是怎样发展的，等向强化是指屈服面以材料中所作塑性功的大小为基础在尺寸上扩张对Mises屈服准则来说屈服面在所有方向均匀扩张，由于等向强化在受压方向的屈服应力等于受拉过程中所达到的最高应力，随动强化假定屈服面的大小保持不变而仅在屈服的方向上移动当某个方向的屈服应力升高时其相反方向的屈服应力，应该降低在随动强化中由于拉伸方向屈服应力的增加导致压缩方向屈服应力的降低所以在对应的两个屈服应力之间总存一个的差值2yQ初始各向同性的材料在屈服后将不再是向同性的。
1.经典双线性随动强化 BKIN
2.双线性等向强化 BISO
3.多线性随动强化 MKIN
4.多线性等向强化 MISO
1.经典的双线性随动强化（BKIN）
使用一个双线性来表示应力应变曲线，所以有两个斜率，弹性斜率和塑性斜率，由于随动强化的Von mises屈服准则被使用，所以包含有鲍辛格效应，此选项适用于遵守Von Mises 屈服准则，初始为各向同性材料的小应变问题，这包括大多数的金属。
需要输入的常数是屈服应力和切向斜率，可以定义高达六条不同温度下的曲线。
注意：
1）.使用MP命令来定义弹性模量
2）.弹性模量也可以是与温度相关的
3）.切向斜率Et不可以是负数，也不能大于弹性模量
在使用经典的双线性随动强化时，可以分下面三步来定义材料特性。
1）.定义弹性模量
2）.激活双线性随动强化选项
3）.使用数据表来定义非线性特性
2.双线性等向强化（BIS0）
也是使用双线性来表示应力－应变曲线，在此选项中，等向强化的Von Mises 屈服准则被使用，这个选项一般用于初始各向同性材料的大应变问题。
需要输入的常数与BKIN选项相同。
举例如下:
MP,EX,1,200e9
MP,NUXY,1,0.25
MP,GXY,1,150e9
TB,BISO,1
TBDATA,1,300e6,2000e6
3.多线性随动强化（MKIN）
使用多线性来表示应力－应变曲线，模拟随动强化效应，这个选项使用Von Mises 屈服准则，对使用双线性选项（BKIN）不能足够表示应力－应变曲线的小应变分析很有用。
需要的输入包括最多五个应力－应变数据点（用数据表输入），可以定义五条不同温度下的曲线。
在使用多线性随动强化时，可以使用与BKIN相同的步骤来定义材料特性，所不同的是在数据表中输入的常数不同，举例如下:
MPTEMP，，10，70
MPDATA，EX，3，，30ES，25ES
TB，MK2N，3
TBTEMP，，STRA2N
TBDATA，，0.01，0.05，0.1
TBTEMP，10
TBDATA，，30000，37000，38000
TBTEMP，70
TBDATA，，225000，31000，33000
4.多线性等向强化（MISO）
使用多线性来表示使用Von Mises屈服准则的等向强化的应力－应变曲线，它适用于比例加载的情况和大应变分析。
需要输入最多100个应力－应变曲线，最多可以定义20条不同温度下的曲线。
其材料特性的定义步骤如下：
1.定义弹性模量
2.定义MISO数据表
3.为输入的应力－应变数据指定温度值
4.输入应力－应变数据
5.画材料的应力－应变曲线
与MKIN 数据表不同的是，MISO的数据表对不同的温度可以有不同的应变值，因此，每条温度曲线有它自己的输入表。