DMIT類(lèi)材料三階非線性光學(xué)性能和響應(yīng)時(shí)間的研究.pdf

1、我們正處在一個(gè)信息社會(huì)。人們的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)生活都極大依賴(lài)于信息的交流和利用。信息傳輸量大、傳輸速率高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、信噪比好是信息傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等信息領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。光纖通信的出現(xiàn)大大緩解了長(zhǎng)期以來(lái)一直困擾人們的傳輸速度低、信噪比差和易干擾等問(wèn)題。但是在目前的光纖通信系統(tǒng)中，往往存在很多的光電和電光轉(zhuǎn)換器件，而這些電了裝置由于存在切換時(shí)間慢、時(shí)鐘偏移、嚴(yán)重串話(huà)等缺點(diǎn)，而產(chǎn)生了光纖通信系統(tǒng)中的“信息瓶頸”現(xiàn)象。全關(guān)開(kāi)關(guān)是解決這個(gè)

2、問(wèn)題的一個(gè)有效手段。全光開(kāi)關(guān)的工作原理利用了材料的三階非線性光學(xué)特性，用一束光引起材料的折射率發(fā)生變化，信號(hào)光在其中通過(guò)時(shí)就會(huì)帶來(lái)相位的變化，從而實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。由于全光開(kāi)關(guān)可以突破限制電、聲、熱、機(jī)械等光開(kāi)關(guān)單道傳輸速率的極限，促使人們以極大的熱情注目全光開(kāi)關(guān)器件的研究。三階非線性光學(xué)材料還有其它方面的應(yīng)用，比如制作光限幅器件等。隨著飛秒、皮秒等超快激光的出現(xiàn)，光束的光功率密度很容易可達(dá)到幾百GW/cm<'2>，在這個(gè)強(qiáng)度下，人

3、的眼睛很容易受到傷害，測(cè)試用的探測(cè)器也很容易被打壞。材料的雙光子吸收、反飽和吸收等三階非線性光學(xué)性能都可以用來(lái)制作光限幅器件。響應(yīng)快、防護(hù)波段寬、限幅閾值低、透射率高的光限幅器件，能有效防護(hù)激光對(duì)人眼、傳感器以及設(shè)備的損害。材料的三階非線性光學(xué)性能還可被應(yīng)用于調(diào)Q、被動(dòng)鎖模等超快激光產(chǎn)生技術(shù)方面，飛秒激光脈沖的克爾透鏡鎖模(Kerr Lens mode locking)技術(shù)就是利用了材料的非線性光學(xué)特性，因材料的折射率隨光強(qiáng)而變化，使得

4、激光器運(yùn)轉(zhuǎn)中的尖峰脈沖得到的增益高出連續(xù)的背景激光增益，從而實(shí)現(xiàn)超短激光脈沖的輸出。 全光開(kāi)關(guān)、光限幅等器件潛在的多方面實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，迫使科學(xué)家們不斷探索、尋求具有高三階非線性光學(xué)性能的新材料。制作全關(guān)開(kāi)關(guān)，要求非線性光學(xué)材料的三階非線性折射要大，線性吸收和非線性吸收系數(shù)要小，響應(yīng)速度要快。三階非線性折射率大，則需要的控制光的光功率密度就不用很高，可降低費(fèi)用。線性吸收和非線性吸收系數(shù)小，可降低信息傳輸損耗，還可以減小熱效應(yīng)

5、的影響，提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。而用來(lái)制作光限幅器件的材料則要求 雙光子吸收和反飽和吸收效應(yīng)等要大。當(dāng)今，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家們正在尋找性能優(yōu) 異的三階非線性光學(xué)材料和建立并優(yōu)化對(duì)新材料的三階非線性光學(xué)特性的表征 技術(shù)，已經(jīng)有了很多這方面的報(bào)道，這個(gè)課題也成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外光通信技術(shù)和 新材料探索領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)之一。 三階非線性光學(xué)材料性能參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試是三階非線性光學(xué)材料性能研究 的重要手段，它不僅可以區(qū)分不

6、同材料之間三階非線性光學(xué)性能的差異，而且 還可以從內(nèi)在機(jī)制方面揭示材料具有三階非線性光學(xué)性能的根本原因，從而為 設(shè)計(jì)合成性能更加優(yōu)異的新材料提供重要的指導(dǎo)作用，并為器件的設(shè)計(jì)提供依 據(jù)?；谶@個(gè)目的，本論文主要內(nèi)容有以下幾個(gè)方面： 第一，本論文重點(diǎn)研究了金屬雙噻吩(DMIT)類(lèi)材料。我們研究組在探索 具有高三階非線性光學(xué)性能的新材料的過(guò)程中，先后合成了多種金屬雙噻吩類(lèi) 的有機(jī)配合物型半導(dǎo)體新材料。三

7、階非線性光學(xué)材料是近年來(lái)非線性光學(xué)材料 領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。研究的材料種類(lèi)也很多，報(bào)道比較多且集中的材料有半導(dǎo)體 類(lèi)、鈦酸鹽類(lèi)、金屬氧化物類(lèi)和有機(jī)材料等。有機(jī)材料有很多顯著的特點(diǎn)，如 易組合、易集成器件、可剪裁、具有低的介電常數(shù)、快的非線性光學(xué)響應(yīng)時(shí)間 和較高的非共振光學(xué)極化率等，是近年來(lái)研究最廣泛的一類(lèi)材料。這類(lèi)有機(jī)材 料一般具有π電子共軛體系，離域π電子在材料的三階非線性光學(xué)效應(yīng)中起著 重要作用。金屬

8、雙噻吩是一類(lèi)優(yōu)良的有機(jī)金屬導(dǎo)體材料，金屬雙噻吩部分在整 個(gè)分子中是富含硫的陰離子，簡(jiǎn)寫(xiě)為Metal(dmit)<,2>，它們大多具有中心對(duì)稱(chēng)的結(jié) 構(gòu)，中心的金屬原子可以是Au、Ni、Cu、C0等多種金屬原子，dmit代表1，3 dithiol-2-thione-4，5-dithi01ate，通過(guò)替換不同的金屬離子，材料的性質(zhì)就 可以得到改變。從這類(lèi)材料的分子結(jié)構(gòu)式上可以看到它們具有優(yōu)良的π電子共 軛體系，離

9、域π電子很容易帶來(lái)大的三階非線性光學(xué)效應(yīng)。本課題組采用理論 分析和化學(xué)合成相結(jié)合的方法，探索、合成與制備了含Au等金屬元素的幾種 DMIT新材料，并報(bào)導(dǎo)了它們的單晶結(jié)構(gòu)和線性吸收等性質(zhì)。 第二，在實(shí)驗(yàn)室自行搭建了表征材料三階非線性光學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)裝置，并 在儀器控制和數(shù)據(jù)采集等方面做了改進(jìn)。表征材料的三階非線性光學(xué)性能的方 法有很多，例如干涉法、三波混頻、簡(jiǎn)并四波混頻、橢偏法和光束畸變方法等。這些方法具

10、有一些自身的缺點(diǎn)，如實(shí)驗(yàn)裝置較復(fù)雜和不能區(qū)分非線性極化率的實(shí)部和虛部等。1989年M.Sheik-Bahae等人提出了一種新的表征材料三階非線性折射率和非線性吸收的測(cè)量技術(shù)一Z掃描方法。這種方法不僅實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，測(cè)量靈敏度高，并且能區(qū)分三階非線性極化率的實(shí)部和虛部。時(shí)間分辨雙色Z掃描技術(shù)還能研究材料的非線性響應(yīng)時(shí)間，區(qū)分不同響應(yīng)時(shí)間的非線性光學(xué)效應(yīng)。本論文對(duì)Z掃描方法進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，給出了Z掃描方法的具體理論推導(dǎo)過(guò)程和常用公式；并在實(shí)

11、驗(yàn)室搭建了一套皮秒Z掃描實(shí)驗(yàn)裝置，用Labview軟件編寫(xiě)了控制數(shù)據(jù)采集和位移平臺(tái)的測(cè)量軟件，并協(xié)調(diào)了它們的工作步驟，大大縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，利用這套軟件還可以設(shè)置實(shí)驗(yàn)時(shí)激光能量抖動(dòng)的限定范圍，超出了抖動(dòng)限定范圍的脈沖不采用，也可以設(shè)置一個(gè)工作點(diǎn)，對(duì)采集的脈沖數(shù)再取平均，這兩點(diǎn)都能大大減小了實(shí)驗(yàn)的誤差，提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。響應(yīng)時(shí)間也是表征材料性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)，響應(yīng)時(shí)間越快，器件工作性能越高。響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量主要有兩種方法：條紋相機(jī)方

12、法和飛秒分辨光克爾實(shí)驗(yàn)方法。條紋相機(jī)方法不能得到材料三階非線性極化率大小的信息，只能得到三階非線性光學(xué)性能的響應(yīng)時(shí)間；而飛秒分辨光克爾實(shí)驗(yàn)方法不僅可以得到三階非線性光學(xué)性能的響應(yīng)時(shí)間的相關(guān)信息，還可以同時(shí)得到材料三階非線性極化率的大小。本論文介紹了這兩種方法，并采用飛秒分辨光克爾實(shí)驗(yàn)方法，又稱(chēng)為雙光束Pump-Probe的方法，測(cè)量了材料的三階非線性極化率、分子二階超極化率和它的響應(yīng)時(shí)間。 第三，本論文以DMIT類(lèi)材料為研究對(duì)象

13、，系統(tǒng)地對(duì)這類(lèi)材料的三階非線性折射率、非線性吸收、三階非線性極化率、分子二階超極化率、基態(tài)和激發(fā)態(tài)吸收截面、雙光子吸收截面，以及材料的響應(yīng)時(shí)間等性能參數(shù)進(jìn)行了全面地表征。DMIT類(lèi)材料由于具有高的三階非線性光學(xué)性能，之前已有人對(duì)這類(lèi)材料的某幾種作了一些研究工作，但他們或是采用簡(jiǎn)并四波混頻的方法，或是采用Pump-Probe方法，這些測(cè)量方法都不能區(qū)分材料三階非線性極化率的實(shí)部和虛部，并且他們采用的測(cè)量波長(zhǎng)有的就在近共振區(qū)，非線性吸收對(duì)三

14、階非線性極化率的貢獻(xiàn)很大，不能準(zhǔn)確地表征材料在應(yīng)用時(shí)，特別是在應(yīng)用于光開(kāi)關(guān)時(shí)具有的三階非線性折射率。為此，本論文利用我們研究組自行建立的Z-scan等實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)這類(lèi)配合物的三階非線性光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了全面、系統(tǒng)地研究，分別得到了這類(lèi)材料的三階非線性折射率、非線性吸收、三階非線性極化率、分子二階超極化率、基態(tài)和激發(fā)態(tài)吸收截面以及雙光子吸收截面等一系列性能參數(shù)，并對(duì)三階非線性光學(xué)性能與材料線性吸收特性、測(cè)量波長(zhǎng)和材料結(jié)構(gòu)等方面的關(guān)系進(jìn)行了深入地