幾種有機(jī)材料的合成與三光子吸收特性研究.pdf

1、相對(duì)于傳統(tǒng)的單光子吸收,多光子吸收尤其是三光子吸收在很多領(lǐng)域有著明顯的優(yōu)勢(shì),可以廣泛用于光限幅、光穩(wěn)幅、激光再整形、上轉(zhuǎn)換激光發(fā)射、光動(dòng)力學(xué)治療療、三維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、微加工、多光子顯微成像等方面,因而引起了科學(xué)界的極大興趣。芴類(lèi)衍生物因具有高的熒光量子產(chǎn)率、較大的電子離域、無(wú)毒、較好的光穩(wěn)定性、價(jià)格便宜,成為一類(lèi)備受關(guān)注的三光子吸收材料。但是現(xiàn)有的研究方法和三光子吸收材料存在著一定的不足,很多方面還需要進(jìn)一步的發(fā)展,一方面,目前的測(cè)試和擬合

2、方法還存在著一些不足;另一方面,三光子吸收截面小、吸收波長(zhǎng)范圍窄、熱穩(wěn)定性不好,特別是分子結(jié)構(gòu)和材料性能之間的關(guān)系還不完全清楚。因此,為了精確的獲得三光子吸收系數(shù)和吸收截面,本文建立一套適合非線性透過(guò)率測(cè)量方法的擬合模型;為了改善三光子吸收材料的實(shí)用性,獲得具有較大三光子吸收截面、更有應(yīng)用價(jià)值的三光子吸收材料,本文通過(guò)分子設(shè)計(jì),組合一些共軛π橋、電子給體(D)和電子受體(A),將電子給體或受體連接到芴基的各個(gè)位置上,合成了一系列具有D-

3、π-A-π-D、2D-π-2D等構(gòu)型的芴酮、亞芴衍生物,深入的研究了這些化合物的三光子吸收特性,詳細(xì)探討了材料的結(jié)構(gòu)與三光子吸收截面的關(guān)系,并研究了化合物材料在光穩(wěn)幅和光限幅等方面的應(yīng)用。主要工作內(nèi)容如下:
　　1.簡(jiǎn)述了三光子吸收的基本理論及研究現(xiàn)狀,總結(jié)了材料結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系,概述了三光子吸收在很多領(lǐng)域內(nèi)的潛在應(yīng)用。
　　2.針對(duì)非線性透過(guò)率法測(cè)試三光子吸收系數(shù)和吸收截面的方法,提出了一個(gè)分割擬合模型。在用非線性透過(guò)

4、率方法測(cè)試材料的多光子吸收系數(shù)時(shí),都采用高斯光束聚焦來(lái)激發(fā),傳統(tǒng)的擬合方法用平均的方法來(lái)擬合,這樣會(huì)造成很大的誤差,本文提出了分割擬合方法,并詳細(xì)地論述了擬合過(guò)程。以2,7-二(4-(二苯胺)噻吩)-9,9-二(2-乙基已基)芴的溶液為例,分別以新模型、傳統(tǒng)方法和Z掃描方法測(cè)試并擬合了其三光子吸收截面,得到的三光子吸收系數(shù)分別為17.5×10-20cm3/W2、8.2×10-20cm3/W2和15.9×10-20cm3W-2,以此擬合方

5、法得到的結(jié)果與以傳統(tǒng)直接擬合方法得到的結(jié)果有很大的差別,分析表明這種差別來(lái)源于傳統(tǒng)方法的兩個(gè)假設(shè),而新模型得到的結(jié)果與Z掃描方法得到的結(jié)果在誤差允許的范圍內(nèi)是吻合的,此模型更能接近于真實(shí)情況,很好的避免了激光的不平行和能量密度的不均勻性對(duì)擬合結(jié)果造成的誤差。而且在擬合的過(guò)程中,可以得到樣品內(nèi)任何一點(diǎn)的激光強(qiáng)度。
　　3.設(shè)計(jì)并合成了兩個(gè)具有D-p-p(A)-p-D構(gòu)型的對(duì)稱(chēng)芴衍生物,通過(guò)非線性透過(guò)率測(cè)量和分割擬合法得到兩個(gè)分子的三

6、光子吸收截面分別為7.53×10-76 cm6s2/photon2(FATT)和2.53×10-76 cm6s2/photon2(TSATL)。兩個(gè)分子的三光子吸收誘導(dǎo)光限幅效果很明顯,隨著光強(qiáng)的增大,透過(guò)率迅速降低。TSATL的光穩(wěn)幅效果也被測(cè)量,由于三光子吸收效應(yīng)的存在,輸入激光脈沖強(qiáng)度波動(dòng)很大,而出射激光的強(qiáng)度波動(dòng)卻被鉗制在較小的波動(dòng)范圍之內(nèi),化合物的穩(wěn)幅效果很明顯。通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn),芴核上的強(qiáng)電子受體提高了分子的電荷轉(zhuǎn)移能力,從

7、而增強(qiáng)了化合物的三光子吸收截面。另外兩種化合物好的平面性也有利于三光子吸收截面的增強(qiáng)。理論擬合顯示了兩種化合物在1064nm激光激發(fā)下的三光子吸收躍遷過(guò)程,通過(guò)分析得出,TSATL對(duì)應(yīng)的軌道躍遷主要為HOMO→LUMO和HOMO-3→LUMO這兩種躍遷,FATT對(duì)應(yīng)的軌道躍遷主要為 HOMO→LUMO和HOMO-1→LUMO這兩種躍遷。由于兩端電子給體的氧原子p型孤對(duì)電子的存在,每個(gè)化合物有三種異構(gòu)體,計(jì)算結(jié)果顯示電子給體的異構(gòu)對(duì)中心芴

8、基團(tuán)的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)都有較大的影響,這種影響也必然引起三光子吸收特性的變化。最后,以FATT為例計(jì)算了分子激發(fā)前后Mulliken電荷轉(zhuǎn)移情況,結(jié)果顯示在整個(gè)分子上尤其是芴基團(tuán)上發(fā)生了較大的電荷轉(zhuǎn)移。
　　4.設(shè)計(jì)并成功合成了一種具有擴(kuò)展的π共軛系統(tǒng)的雙亞芴衍生物。非線性透過(guò)率測(cè)量方法得到樣品的三光子系數(shù)截面為(81±8)×10-76 cm6s2。化合物具有理想的三光子吸收誘導(dǎo)光限幅和光穩(wěn)幅性能,即使入射光脈沖序列能量波動(dòng)達(dá)到