새로운 분자구조의 chalcone 유기 단결정에 대한 2차 비선형 광특성 측정 및 분석
A Study of Second-order Nonlinear Optical Properties of Newly Developed Chalcone Organic Single Crystal
- 주제(키워드) 2차 비선형 광특성 , chalcone 유기화합물 , 유기 단결정
- 발행기관 아주대학교 대학원
- 지도교수 이상민
- 발행년도 2008
- 학위수여년월 2008. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학부
- 본문언어 한국어
초록/요약
유기물질은 큰 비선형 광특성과 빠른 응답속도에 의해 비선형 광 소자로써의 활용에 주목을 받고 있다. 이러한 유기물질은 비선형 무기물질보다 상대적으로 큰 비선형 광특성을 가지고 있으며, 유동적으로 분자구조를 변형하여 선형 및 비선형 광특성을 조정할 수 있다는 장점을 가지는 반면에 결정으로 성장시키는데 어려움이 있다. 만약 뛰어난 비선형 광특성으로 지닌 유기물질을 결정으로 성장시킬 수만 있다면 비선형 광소자로써 활용이 가능할 것이다. 본 연구에서는 chalcone이라는 유기화합물이 광소자로써 활용이 가능한지 실험을 통해 분석해 보았다. 본 실험에서는 샘플은 분자구조변형을 통해 비선형 광특성을 크게 증대시키고, 이것을 결정으로 성장시킨 chalcone 유기 단결정을 사용하였다. 본 논문에서는 분자구조를 변형한 새로운 chalcone 유기 화합물을 결정으로 성장시켰으며 이에 대한 합성 및 결정성장 방법과 물리적, 화학적으로 특성을 분석한 내용을 담고 있다. 또한 새로운 분자구조를 가진 chalcone 유기 단결정에 대한 2차 비선형 광특성 측정 및 분석 연구를 처음으로 수행하였다. 일반적으로 알려진 chalcone과 달리 본 연구에서 사용한 chalcone 유기화합물은 기존 chalcone 유기화합물에 비해 긴 π-공액길이를 가지고 있고 chalcone 분자 내 벤젠링에 새로운 치환제로 치환을 하여 높은 2차 비선형특성, 짧은 cut-off wavelength를 가지는 p-methoxydibenzylideneacetone(PDBA) and p-chlorodibenzylideneacetone (CDBA)를 제작하여 연구를 수행하였다. PDBA와 CDBA는 slow evaporation solution 방법을 이용하여 단결정으로 성장시켰으며, 두 개의 벤젠 링(benzene ring) para-위치에 OCH3과 Cl을 각각 치환제로 사용하여 각기 다른 특성의 2개의 chalcone 단결정을 만들었다. 두 샘플의 물리적, 화학적 특성은 elemental analysis, FTIR 스펙트럼, X-ray diffraction, thermal analysis로 확인하였다. 새로운 분자구조를 가진 chalcone 유기 단결정은 본 연구를 통해 처음 알려졌기 때문에 아직 2차 비선형 광특성에 대한 연구가 아직 시작한 바가 없다. 따라서 chalcone 유기 단결정이 가지고 있는 2차 비선형 계수를 알아내기 위해 본 연구에서는 마커 줄무늬 기법(Maker-fringes technique)을 이용하여 측정하였다. 측정에 사용된 레이저는 반복률은 10Hz, 7ns의 펄스폭을 지니고 발진파장이 1064nm인 Nd:YAG Q-switched 레이저를 사용하여 실험을 하였다. 기존의 마커 줄무늬 이론은 샘플에 입사하는 입사파와 샘플 내에서 생성되는 2차 조화파에 흡수가 없고 단축 광결정에 대해서만 이론을 전개하였다. 하지만 PDBA와 CDBA 단결정은 입사파와 2차 조화파에 흡수가 존재하며, 복굴절 결정으로써 일반적인 마커 줄무늬 이론을 통해서는 정확학 2차 비선형 계수를 얻을 수 없으므로 본 논문에서는 복굴절 매질에서도 정확학 2차 비선형 계수값을 계산할 수 있도록 마커 줄무늬 이론을 보완하였다. 보완한 이론식을 기본으로 전산모사를 하여 측정 데이터와 비교 분석을 수행한 결과 chalcone 유기 단결정의 2차 비선형 계수 값은 잘 알려진 기존의 비선형 무기 결정 및 유기 결정과 비교해 보아도 상대적으로 높은 2차 비선형 계수 값을 가지고 있다는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 비선형 주파수 변환에 chalcone 유기 단결정이 효율적으로 사용될 수 있는 가능성을 제시한 것 이다.
more초록/요약
Organic materials have gained considerable interest for nonlinear optical applications because of their attractive second-order nonlinearities and fast nonlinear responses. The structure of these materials can be modified by functional substitution and hence it is possible to fine-tune their linear and nonlinear optical properties. For efficient second harmonic generation (SHG), one requires a highly polarizable pi-conjugated molecule substituted with strong electron donor and acceptor groups at the ends of the molecule and also its non-centrosymmetric crystal structure. In this context, chalcones (a class of organic materials) have received a great attention due their attractive SHG properties and blue light transmittance. chalcone derivatives, p-methoxy dibenzylideneacetone (PDBA) and p-chloro dibenzylideneacetone (CDBA), were grown as a single crystal by slow evaporation solution growth technique and their second-order optical nonlinearities were investigated in the present work. PDBA and CDBA molecule are derivative of dibenzylideneacetone substituted with methoxy groups and chloro groups at para-position of the two phenyl rings, Respectively. The crystal was characterized by elemental analysis, FTIR, and single crystal X-ray diffraction techniques. For determination of the effective nonlinear optical coefficient deff of the sample, we applied the standard Maker-fringe technique. A y-cut quartz crystal was used as the standard reference. The Q-switched 7-ns Nd:YAG laser pulses at 1064 nm were weakly focused on the chalcone crystal of thickness of 1.1 mm. The second harmonic signals were detected by a photomultiplier connected to a boxcar integrator. By fitting the Maker-fringes with theoretical equations taking into account the absorption of the fundamental and second-harmonic waves, d31 and d32 of PDBA and d14 of CDBA were determined to be 1.96, 3.15 and 8.82 pm/V, respectively. The coefficients were found to be larger than those of well known KDP, LBO and urea. In conclusion, we have designed and grown new chalcone crystals, which exhibit large nonlinearity, high damage resistance compared to that of several bulk nonlinear materials and deeper optical cut-off wavelength. Such superior properties offer these new chalcone crystals as novel NLO crystals for efficient frequency conversion
more목차
제1절 서론 = 1
1.1 비선형 광특성 = 1
1.2 물질의 2차 비선형 광특성에 대한 기본 이론 = 2
1.2.1 비선형 광학계수의 수식적 표현 = 2
1.2.2 2차 조화파 생성 = 4
제2절 chalcone 유기물질의 2차 비선형 계수 측정 = 8
2.1 Chalcone 유기물질 = 8
2.2 Chalcone 유기물질의 물성 특성 = 9
2.3 PDBA와 CDBA의 2차 비선형 광특성을 결정하는 분자 구조 = 10
2.4 PDBA와 CDBA의 합성방법 = 11
2.5 용해도와 결정 성장 (Solubility and crystal growth) = 11
2.6 PDBA와 CDBA의 분자 구조 및 결정 구조 = 14
2.7 PDBA와 CDBA에서의 2차 조화파 생성 = 15
2.8 샘플의 특성분석 = 19
2.8.1 FTIR 스펙트럼 = 19
2.8.2 샘플의 열분석(Thermal analysis) = 22
2.8.3 UV-VIS 스펙트럼 = 24
2.9 마커 줄무늬 기법 (Maker fringes technique) = 26
2.9.1 이론식 = 27
2.9.2 복굴절 매질에 마커 줄무늬 방법의 적용 = 29
2.10 Chalcone 유기물질의 2차 조화파 측정 및 분석 = 32
2.10.1 실험구성 = 32
2.10.2 샘플의 2차 조화파 측정분석 및 레이저 손상 문턱값 = 34
2.11 결론 = 38
참고문헌 = 41
Abstract = 44
Appendix = 46
