KR960015086B1 - Nonlinear optical material - Google Patents

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김기문
강석호
한종훈
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김종진
포항종합제철주식회사
신창식
재단법인산업과학기술연구소
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Abstract

The organic nonlinear optical material for optical devices is composed of heterocyclic compound containing nitro group as an electron acceptor functional group, which is expressed as general formula (I) and (II), where A is nitro functional group, X and Y are carbon or nitrogen atoms to which hydrogen is attached, B is hydrogen or acetyl group, Z is hydrogen atom or carbon double bonded oxygen atom. The heterocyclic compound containing nitro group comprises 5-nitrobenzene imidazole, 4-nitrobenzotriazole, 5-nitroindazole, 4-nitroindole, 5-nitroindoline, 5-nitroisetine or 1-acetyl-5-nitroindoline, etc.

Description

이종원자고리 화합물로 된 유기 비선형 광학물질Organic Nonlinear Optics of Heterocyclic Compounds

제1도는 비선형 광학물질들의 이차 비선형도 측정을 위한 장치의 개략도이다.1 is a schematic diagram of an apparatus for secondary nonlinearity measurement of nonlinear optics.

제2a도, 제2b도는 5-니트로인돌의 X-선 결정구조의 입체도(Stereoviews)이다.2a and 2b are stereoviews of the X-ray crystal structure of 5-nitroindole.

본 발명은 유기 비선형 광학물질에 관한 것이며, 보다 상세하게는 전자를 받는 작용기인 니트로기를 갖는 다음 일반식(Ⅰ) 또는 (Ⅱ)의 이종원자고리 화합물을 유기 비선형 광학물질로 사용하는 것에 관한 것이다.The present invention relates to an organic nonlinear optical material, and more particularly, to the use of a heterocyclic compound of the following general formula (I) or (II) having a nitro group as a functional group receiving electrons as an organic nonlinear optical material.

상기 일반 식들에서, A는 니트로 작용기이고; X와 Y는 각각 수소가 부착된 탄소 또는 질소 원자이며; B는 수소 또는 아세틸기이고; Z는 수소 또는 산소 원자이되, 산소인 경우에는 그가 부착된 탄소와 이중결합을 형성한다.In the general formulas above, A is a nitro functional group; X and Y are each a carbon or nitrogen atom to which hydrogen is attached; B is hydrogen or an acetyl group; Z becomes a hydrogen or oxygen atom, and if oxygen, forms a double bond with the carbon to which it is attached.

최근 광섬유를 이용한 광통신의 급격한 발전과 광신호를 보다 빨리 그리고 효율적으로 처리해 줄 수 있는 광접속 회로의 개발에 많은 관심이 모아지고 있다.Recently, much attention has been paid to the rapid development of optical communication using optical fibers and the development of optical connection circuits capable of processing optical signals more quickly and efficiently.

이 광회로는 전자회로에 비해 외부자기장에 대한 교란현상을 배제할 수 있고 가용 주파수대가 넣어 작은 회선에 많은 정보를 전달할 수 있으며 전기적 신호를 광신호로 바꿀 필요없이 많은 정보의 수송, 저장이 가능하게 되므로 데이타 통신 분야에 혁신을 가져올 것이다. 또한 병렬 처리성과 무간섭의 상호 접속성등 때문에 장기적으로 광학 컴퓨터등 모든 부분에 광소자들로 실용화될 수 있는 잇점을 가지고 있다.Compared to electronic circuits, this optical circuit can eliminate disturbances to external magnetic fields, and it can transmit a lot of information on a small line by using available frequency bands, and can transport and store a lot of information without changing electrical signals into optical signals. This will revolutionize data communication. In addition, parallel processing and interference-free interconnection have the advantage that they can be used as optical devices in all parts of the optical computer in the long term.

비선형 광학물질(Nolinear optical material)은 입사광의 전기장과 상호작용하여 입사광의 진동수, 위상, 진폭 등의 성질을 변화시키기 때문에 광신호를 정류변조, 스위칭하는 광학소자로 사용될 수 있다.Since the nonlinear optical material interacts with the electric field of the incident light to change the properties of the incident light frequency, phase, amplitude, etc., it can be used as an optical device for rectifying, modulating and switching the optical signal.

비선형 광학현상중 이차 비선형 광학현상은 이차 비선형 계수(X(2))의 크기와 성질에 의존한다. 즉, 입사광의 진동수를 2배로 변환하는 이차 주파 진동수 발생[SHG(second harmonic generation)] 효과와 같은 특수한 경우인데 이 SHG 효과는 레이저를 쓰는 분야에서 주파수를 두배로 만들어 적외선 영역의 빛을 가시광선 영역의 벗으로, 가시광선 영역의 빛을 자외선 영역의 빛으로 변환하는 등의 용도로 이미 유용하게 쓰이고 있다. 실례로 중국에서 최근 개발된 BBO(beta barium borate)와 LBO(lithium triborate)결정은 우수한 비선형 광학물질로 각광받아 전세계에 판매되고 있다. 그러나 외국의 연구 결과에 의하면 유기물질이 무기물질에 비해, 첫째, 시룡가능성이 큰 물질을 이론적으로 예측하는 것이 가능하고; 둘째, 비선형 광학효과가 10-100배 정도 높으며; 셋째, 레이저에 대한 손상역치가 무기물질에 비해 약 100배 이상 높으며; 넷째, 반응시간(response time)이 짧고; 다섯째, 현재 알려진 유기물질의 수가 수백만중 이상으로 무한한 개발 가능성을 가지고 있다. 약 10년전 유기물질에 과한 높은 비선형 광학효과가 발견된 이래, 여러가지 유기물질의 광학소자로서의 가능성이 증명되어 비선형 광학물질로서 유용한 유기물질들의 개발이 전세계적으로 매우 활발하게 진행되고 있다.Secondary nonlinear phenomena among nonlinear phenomena depend on the magnitude and nature of the secondary nonlinear coefficients (X (2) ). That is, a special case such as the second harmonic generation (SHG) effect, which converts the frequency of incident light twice, which is doubled in the field of laser, making the light in the infrared region visible. This is already used for the purpose of converting light in the visible region into light in the ultraviolet region. For example, recently developed in China, beta barium borate (BBO) and lithium triborate (LBO) crystals have been spotlighted as excellent nonlinear optical materials and are sold worldwide. However, foreign studies have shown that organic materials, compared with inorganic ones, can, theoretically, predict materials that are more likely to be in the air; Second, the nonlinear optical effect is about 10-100 times higher; Third, the damage threshold for the laser is about 100 times higher than that of the inorganic material; Fourth, response time is short; Fifth, the number of organic substances currently known has more than millions of development possibilities. Since the discovery of high nonlinear optical effects over organic materials about 10 years ago, the possibility of various organic materials as optical devices has been proved, and the development of useful organic materials as nonlinear optical materials is very active worldwide.

본 발명자는 비선형 광학물질로서 효율이 클 것으로 예상되는 여러가지 유기 화합물들을 연구 검토하여온 결과, 전자 받게 작용기인 니트로기를 갖는 다음 일반식(Ⅰ) 또는 (Ⅱ)의 이종원자고리 화합물을 유기 비선형 광학물질로서 매우 유용함을 발견하였다.The present inventors have studied various organic compounds which are expected to have high efficiency as nonlinear optical materials. As a result, the heterocyclic compound of the following general formula (I) or (II) having a nitro group as an electron accepting group is used as an organic nonlinear optical material. I found it very useful.

상기 일반 식들에서, A, X와 Y, B 및 Z는 앞서 정의된 바와같다.In the general formulas above, A, X and Y, B and Z are as defined above.

새로운 유기 비선형 광학물질로서 유용한 본 발명의 화합물들을 예로들면 5-니트로벤젠이미다졸, 6-니트로벤젠이미다졸, 5-니트로인다졸, 6-니트로인다졸, 7-니트로인다졸, 4-니트로인돌, 6-니트로인돌, 7-니트로인돌, 5-니트로인돌린, 6-니트로인돌린, 1-아세틸-5-니트로인돌린, 5-니트로이세틴, 및 5-니트로벤조트리아졸 등을 들 수 있다. 이들의 화학식은 다음과 같다.Examples of compounds of the present invention useful as novel organic nonlinear optics include 5-nitrobenzeneimidazole, 6-nitrobenzeneimidazole, 5-nitroidazole, 6-nitroidazole, 7-nitroidazole, 4- Nitroindole, 6-nitroindole, 7-nitroindole, 5-nitroindolin, 6-nitroindolin, 1-acetyl-5-nitroindolin, 5-nitrocetin, 5-nitrobenzotriazole, and the like. Can be. Their chemical formula is as follows.

상기 화합물들 중 일부는 상용 이종분자 화합물들을 구입하여 재결정 방법을 통하여 정제함으로써 수득될 수 있고, 일부 화합물들은 종래의 다양한 합성 방법을 응용하여 제조될 수 있다.Some of the compounds may be obtained by purchasing commercial heteromolecular compounds and purifying them through recrystallization methods, and some compounds may be prepared by applying various conventional synthetic methods.

이하 실시예 및 시험에를 통하여 본 발명을 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples and tests.

[실시예 1]Example 1

5-니트로인돌의 정제Purification of 5-nitroindole

5-니트로인돌 1.5g을 에탄올 30ml에 첨가하고 가열하면서 완전히 녹인 다음 차콜 0.25g을 가하여 약 30분 동안 저어준 후 이 용액을 여과한 다음 중력필터로 처리하여 깨끗한 노란용액을 얻었다. 용매를 감압하여 제거한 후 온돌루 낮추어 생긴 결정을 거른 후 진공 건조하여 정제 5-니트로인돌을 수득하였다.1.5 g of 5-nitroindole was added to 30 ml of ethanol, dissolved completely while heating, and 0.25 g of charcoal was added and stirred for about 30 minutes. The solution was filtered and then treated with a gravity filter to obtain a clear yellow solution. The solvent was removed under reduced pressure, and the crystals formed by lowering ondol were filtered and dried in vacuo to obtain purified 5-nitroindole.

[실시예 2]Example 2

1-아세틸인돌린의 합성Synthesis of 1-acetylindolin

8ml의 인돌린을 100ml의 아세트산 무수물에 녹인 후 1시간 동안 환류시키고 냉각시킨 다음 물 500ml을 가했다. 이때 생긴 결정을 여과하고 찬 메탄올로 씻은 후 진공 건조시켜 목적 화합물을 산출하였다.8 ml of indolin was dissolved in 100 ml of acetic anhydride, refluxed for 1 hour, cooled, and 500 ml of water was added thereto. The crystals thus formed were filtered, washed with cold methanol and dried in vacuo to yield the target compound.

녹는점 : 103℃(문헌값 : 102-105℃)Melting Point: 103 ℃ (Literature Value: 102-105 ℃)

[실시예 3]Example 3

1-아세틸-5-니트로인돌린의 합성Synthesis of 1-acetyl-5-nitroindolin

진한 질산 100ml와 황산 35ml의 혼합용액에 10-20℃의 온도를유지하면서 1-아세틸인돌린 12.5g을 조금씩 넣은 후 12시간 동안 환류시켰다. 저어주면서 찬 증류수를 약 500ml 가한 후 이때 생긴 침전을 모아 물로 씻고 여과한 후 전공건조했다. 에탄올로부터 재결정하여 목적 화합물을 산출하였다.Into a mixed solution of 100 ml of concentrated nitric acid and 35 ml of sulfuric acid, 12.5 g of 1-acetylindolin was added little by little while maintaining a temperature of 10-20 ° C., followed by reflux for 12 hours. After stirring, 500 ml of cold distilled water was added, and the precipitates formed therein were collected, washed with water, filtered, and dried. Recrystallization from ethanol yielded the target compound.

녹는점 : 170-173℃(문헌값 : 173-175℃)Melting Point: 170-173 ℃ (Literature Value: 173-175 ℃)

적외선 분광기(KBr) : ν1670(m,NO2), 1493(m,NO2), 1301(m,NO2).Infrared spectrometer (KBr): ν 1670 (m, NO 2 ), 1493 (m, NO 2 ), 1301 (m, NO 2 ).

[실시예 4]Example 4

5-니트로인돌린의 합성Synthesis of 5-nitroindolin

5ml 에탄올과 10ml 염산의 혼합 용액에 1.2g의 1-아세틸-5-니트로인돌린을 녹인 후 30분 동안 환류시켰다. 환류후 생긴 고체를 거르고 난 후 남은 용액을 암모니아 수용액으로 염기화시킨 후 이때 생긴 고체 침전을 여과한 후 메탄올로 재결정하여 목적 화합물을 산출하였다.1.2 g of 1-acetyl-5-nitroindolin was dissolved in a mixed solution of 5 ml ethanol and 10 ml hydrochloric acid and refluxed for 30 minutes. After filtering the solid formed after reflux, the remaining solution was basified with an aqueous ammonia solution, and the solid precipitate formed at this time was filtered and then recrystallized with methanol to obtain the target compound.

녹는점 : 91-93℃(문헌값 : 92-93℃)Melting Point: 91-93 ℃ (Literature Value: 92-93 ℃)

[시험예 1][Test Example 1]

비선형 광학물질의 효율측정Efficiency measurement of nonlinear optical materials

본 발명에 의한 니트로기를 갖는 이종원자고리 화합물의 비선형 광학물질로서의 효율성을 알아보기 위해 첨부된 제1도에 도시된 바와 같은 장치를 사용하여 여러가지 화합물들의 비선형도를 측정하였으며 그 결과는 표 1에 표기하였다. 이차벌크 감수율이라 불리는 X(2)값은 비선형 광학물질의 비선형도를 나타내는 척도로서 이 값이 클수록 우수한 비선형 광학물질로서 사용될 수 있음을 의미한다. 6개의 화합물이 효율을 나타내었는데 그중 5-니트로인돌이 대조표준물질인 우레아의 약 20배로서 가장 큰 효율을 나타내었다. 5-니트로인돌은 MAP에 비해 약 4배, NMA와는 거의 비슷한 효율을 가지므로 우수한 비선형 광학재료로 사용될 수 있다.In order to determine the efficiency of the heterocyclic compound having a nitro group according to the present invention as a nonlinear optical material, the nonlinearity of various compounds was measured using a device as shown in FIG. 1 and the results are shown in Table 1. It was. The X (2) value, called secondary bulk susceptibility, is a measure of the nonlinearity of nonlinear optical materials, which means that the larger this value can be used as an excellent nonlinear optical material. Six compounds showed efficiency, of which 5-nitroindole showed the greatest efficiency, about 20 times that of the control urea. 5-nitroindole can be used as an excellent nonlinear optical material because it has about 4 times higher efficiency than MAP and nearly similar efficiency to NMA.

K : KDP 의 SHG 효율 U : 우레아의 SHG 효율K: SHG efficiency of KDP U: SHG efficiency of urea

nd : 신호를 확인할 수 없음nd: Can't check signal

[시험예 2][Test Example 2]

5-니트로인돌의 결정구조 규명Crystal structure of 5-nitroindole

X-선 결정구조와 효율 사이의 상관관계를 밝혀냄으로써 좀 더 큰 효율을 가진 우수한 비선형 광학물질을 발명할 수 있다. 본 발명자는 5-니트로인돌이 높은 효율을 가지는 원인을 규명하기 위해 X-선 회절법으로 첨부 제2도에 도시된 바와 같은 결정구조를 밝혀냈다. 높은 효율을 가지기 위해서는 분자 자체의 분자초분극률(molecular hyperpolarizability), 즉 β값이 커져야 할 뿐만 아니라 결정내에서 쌍극자모멘트(dipole moment)가 상쇄되지 않는 방향으로 분자들이 배열하여야 한다. 5-니트로인돌이 위의 조건에 맞는 비대칭 공간군인 Fdd2의 결정구조를 가진다는 사실을 X-선 회절법을 이용하여 구명하였다. (a=4.348(4), b=24,574(3), c=27,858(4)Å, vol=16Å3, Z=16) 또한 이러한 공간군에 속한 화합물의 경우 분자전하전달 축과 극축 사이의 각도가 최적조건인 54.74o값을 가질때 높은 효율을 가질 것으로 문헌에 보고된 바 있는데 5-티느로인돌의 경우 54.72o로 이론치와 아주 가까운 값을 가짐이 밝혀져 높은 효율과 일치한다. 그리고 5-니트로인돌의 바닥상태와 들뜬 상태에서의 쌍극모멘트 차이값을 측정한 문헌보고와 자외선 가시광선 분광기의 자료를 토대로 β값을 계산한 결과 21.2×10-30esu로 비교적 큰 값을 얻었다. 본 발명의 화합물을 양질의 순수한 큰 단결정으로 성정시키고 기계적 성질을 높인다면 보다 우수한 비선형 물질로서 사용될 수 있다.By discovering the correlation between X-ray crystal structure and efficiency, we can invent superior nonlinear optical materials with greater efficiency. The inventors have discovered the crystal structure as shown in the accompanying FIG. 2 by X-ray diffraction in order to identify the cause of 5-nitroindole having high efficiency. In order to have high efficiency, the molecular hyperpolarizability of the molecule itself, i.e., β value must be increased and the molecules must be arranged in such a way that the dipole moment in the crystal is not canceled out. The fact that 5-nitroindole had a crystal structure of Fdd2, an asymmetric space group meeting the above conditions, was investigated using X-ray diffraction. the angle between (a = 4.348 (4), b = 24,574 (3), c = 27,858 (4) Å, vol = 16Å 3, Z = 16) In the case of the compounds belonging to this space group molecular charge transfer axis and the polar axis Has been reported in the literature to have a high efficiency when the optimum condition is 54.74 o , which is found to be very close to the theoretical value of 54.72 o in the case of 5-thironiindole, which is consistent with high efficiency. The β value was calculated based on the bibliographic report of the dipole moment difference between the ground state and the excited state of 5-nitroindole and the ultraviolet visible light spectrometer. The value of 21.2 × 10 -30 esu was relatively high. The compounds of the present invention can be used as better nonlinear materials if they are formed into high quality pure large single crystals and their mechanical properties are enhanced.

Claims (2)

전자 받게 작용기인 니트로기를 갖는 다음 일반식(Ⅰ) 또는 (Ⅱ)의 이종원자고리 화합물로 된, 광학소자로서 유용한 유기 비선형 광학물질An organic nonlinear optical material useful as an optical element comprising a heterocyclic compound of the following general formula (I) or (II) having a nitro group as an electron accepting group 상기 일반 식들에서, A는 니트로 작용기이고; X와 Y는 각각 수소가 부착된 탄소 또는 질소 원자이며; B는 수소 또는 아세틸기이고; Z는 수소 또는 산소 원자이되, 산소인 경우에는 그가 부착된 탄소와 이중결합을 형성한다.In the general formulas above, A is a nitro functional group; X and Y are each a carbon or nitrogen atom to which hydrogen is attached; B is hydrogen or an acetyl group; Z becomes a hydrogen or oxygen atom, and if oxygen, forms a double bond with the carbon to which it is attached. 제1항에 있어서, 상기 니트로기를 갖는 이중원자고리 화합물은 5-니트로벤젠이미다졸, 6-니트로벤젠이미다졸, 5-니트로인다졸, 6-니트로인다졸, 7-니트로인다졸, 4-니트로인돌, 5-니트로인돌, 6-니트로인돌, 7-니트로인돌, 5-니트로인돌린, 6-니트로인돌린, 1-아세틸-5-니트로인돌린, 5-니트로이세틴, 및 5-니트로벤조트리아졸로 구성되는 그룹으로부터 선택됨을 특징으로 하는 유기 비선형 광학물질.The method of claim 1, wherein the bicyclic compound having a nitro group is 5-nitrobenzeneimidazole, 6-nitrobenzeneimidazole, 5-nitroindazole, 6-nitroidazole, 7-nitroidazole, 4 -Nitroindole, 5-nitroindole, 6-nitroindole, 7-nitroindole, 5-nitroindolin, 6-nitroindolin, 1-acetyl-5-nitroindolin, 5-nitrocetin, and 5-nitro Organic nonlinear optics, characterized in that it is selected from the group consisting of benzotriazoles.
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