激發(fā)態(tài)質(zhì)子轉(zhuǎn)移有機(jī)分子光學(xué)非線性特性及全光光開關(guān)效應(yīng).pdf

1、現(xiàn)代光學(xué)中，由強(qiáng)激光產(chǎn)生的非線性光學(xué)現(xiàn)象正在為越來越多的人們所注意，而材料是其發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。激發(fā)態(tài)質(zhì)子轉(zhuǎn)移有機(jī)分子由于具有快速響應(yīng)和大的非線性系數(shù)等特性，是一類性能優(yōu)良的非線性光學(xué)材料，有望成為全光光開關(guān)、光限幅、光存儲(chǔ)等光電子學(xué)器件的優(yōu)選介質(zhì)，近年來受到廣泛關(guān)注。因此研究此類有機(jī)分子的非線性光學(xué)特性、探索其產(chǎn)生各種光學(xué)特性的機(jī)理以及其潛在的應(yīng)用具有非常重要的意義。本文以典型的激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移(ESIPT)有機(jī)分子2-(2’-

2、羥基苯基)苯并噻唑(HBT)為研究對(duì)象，圍繞其在不同極性溶劑中的光譜特性、光學(xué)非線性特性及其全光光開關(guān)效應(yīng)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，以期揭示此類分子的光物理、光化學(xué)動(dòng)態(tài)過程，并探討其在全光光開關(guān)器件等方面應(yīng)用的可能。主要工作歸納如下： 1．研究了HBT分子在環(huán)己烷、乙醇及其二者不同體積比混合溶劑中的吸收光譜和熒光光譜。結(jié)果表明在常態(tài)條件下，HBT分子烯醇式和酮式異構(gòu)體可共存，但烯醇式構(gòu)型占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。紫外光激發(fā)時(shí)，HBT烯醇式構(gòu)型發(fā)

3、生ESIPT反應(yīng)可轉(zhuǎn)變?yōu)橥綐?gòu)型，但其質(zhì)子轉(zhuǎn)移效率受溶劑極性影響。溶劑極性越大，質(zhì)子轉(zhuǎn)移效率越低，在環(huán)己烷中HBT分子的ESIPT效率最大，在乙醇中則最小。用400nm波長(zhǎng)的光激發(fā)時(shí)，除發(fā)現(xiàn)酮式異構(gòu)體發(fā)射的熒光外，在436nm和456nm處還出現(xiàn)兩熒光峰，分析了其具體歸屬，認(rèn)為其一可能來源于HBT酮式異構(gòu)體激發(fā)態(tài)與烯醇式異構(gòu)體基態(tài)之間形成的激基復(fù)合物所發(fā)射的熒光；其二可能來源于HBT酮式異構(gòu)體去質(zhì)子化陰離子的發(fā)射。此熒光峰無論來源于激基

4、復(fù)合物還是去質(zhì)子化陰離子，其形成及含量均會(huì)受溶劑極性影響，極性愈大愈不利于該熒光發(fā)射物的形成。 2．用Z-掃描技術(shù)研究了線性吸收區(qū)HBT分子在環(huán)己烷、乙醇及其二者不同比例混合液中的光學(xué)非線性特性。發(fā)現(xiàn)溶劑極性直接影響著HBT分子的激發(fā)態(tài)質(zhì)子轉(zhuǎn)移效率，而且也影響著其光學(xué)非線性特性。溶劑極性越強(qiáng)，HBT分子的質(zhì)子轉(zhuǎn)移效率越低，相應(yīng)的非線性折射率和三階非線性極化率越小。在環(huán)己烷中二者值最大，分別為n<,2>=6.71×10<'-13>

5、(esu)，X<'(3)>=2.14×10<'-21>(m<'2>/v<'2>)；在乙醇中二者值最小，分別為n<,2>=3.13×10<'-13>(esu)，X<'(3)>=0.98×10<'-21>(m<'2>/V<'2>)。 3.用Z-掃描技術(shù)研究了雙光子吸收區(qū)HBT分子的光學(xué)非線性特性，結(jié)果表明，HBT分子對(duì)532nm波長(zhǎng)的光存在明顯的雙光子吸收效應(yīng)。擬合開孔Z-掃描結(jié)果，計(jì)算得到了不同入射光強(qiáng)下HBT分子的雙光子吸收系數(shù)

6、值，其平均雙光子吸收系數(shù)β<,0>=0.56 cm/GW，與其對(duì)應(yīng)的三階非線性極化率的虛部的值為XI<'(3)>=2.57×10<'-21>(m<'2>/V<'2>)；通過擬合閉孔Z-掃描數(shù)據(jù)除以開孔Z-掃描數(shù)據(jù)，得到存在非線性吸收時(shí)給定光強(qiáng)下HBT分子的非線性折射率和三階非線性極化率的實(shí)部值，分別為n<,2>=4.13×10<'-18>(m<'2>/W)，XR<'(3)>=4.48×10<'-20>(m<'2>/V<'2>)。同時(shí)研究

7、了雙光子吸收區(qū)HBT分子激發(fā)態(tài)質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程中各態(tài)的粒子數(shù)分布情況，并建立了雙光子激發(fā)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)模型。分別計(jì)算了不考慮和考慮其它各態(tài)粒子分布時(shí)，不同入射光強(qiáng)下HBT分子烯醇式基態(tài)的雙光子吸收截面值，其相同光強(qiáng)下的雙光子吸收截面值后者均小于前者，二者平均雙光子吸收截面值分別為δ<,2p>=1735 GM和1270 GM。表明HBT分子質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程中各態(tài)的粒子數(shù)分布對(duì)其雙光子吸收截面值具有很大的影響。 4.研究了355 nm

8、皮秒脈沖泵浦光激發(fā)下，HBT在環(huán)己烷、環(huán)己烷和乙醇不同比例混合以及乙醇溶劑中所表現(xiàn)出的光開關(guān)特性，發(fā)現(xiàn)HBT分子的光開關(guān)對(duì)比度和光開關(guān)偏折角大小受溶劑極性影響與其對(duì)質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程的影響程度相一致，即溶劑極性越大使得其質(zhì)子轉(zhuǎn)移效率越低，導(dǎo)致其光開關(guān)對(duì)比度和光開關(guān)偏折角就越小。同時(shí)討論了光開關(guān)脈沖信號(hào)的成因，光開關(guān)信號(hào)的陡峭下降前沿為激發(fā)態(tài)質(zhì)子轉(zhuǎn)移分子HBT陜速的質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)所致，而相對(duì)緩慢的上升后沿則主要是由于溶劑的熱效應(yīng)引起。探測(cè)光束光斑