王宇飞[1]2004年在《光学材料的超快特性及测量研究》文中指出本论文的主要工作是利用飞秒激光对薄膜材料和掺铒碲酸盐玻璃材料的光学特性进行研究。具体内容如下： 论文第一部分，首先介绍了薄膜材料、掺铒碲酸盐玻璃材料的的研究现状，介绍了几种研究材料光学特性的研究方法，对薄膜材料和掺铒碲酸盐玻璃材料的应用进行了综述。 论文第二部分，首先对Sagnac干涉仪测量材料特性的应用进行了回顾，重点介绍了改进型共线时间分辨Sagnac干涉仪的实验原理，详细介绍了实验装置，讨论了实验条件对Sagnac干涉仪的影响。 论文第叁部分，首先利用共线时间分辨Sagnac干涉仪对金膜、铝膜、钛膜、硅膜和氧化钛膜的光学特性进行了研究，讨论了其光学特性的产生机制。研究表明：金属膜与玻璃基底之间产生的纵向相干声子反射引起的两个声子回波是产生于正时间延迟方向的两个近似于正弦变化的峰，声子回波是由热膨胀引起的热弹性场产生的纵向声子波沿样品自由表面反射形成的；而纵向相干声子是由折射率与拉伸力的耦合产生的，且这两个峰随着时间的延迟，它们的强度越来越小，信号强度的逐渐衰减是由热反射效应引起的；而半导体材料中产生的纵向相干声子反射引起的两个声子回波是引起正时间延迟方向的两个近似于正弦变化的峰，而纵向相干声子是由表面空间电场的突然屏蔽引起的，且这两个峰也随着时间的延迟，它们的强度越来越小。 论文第四部分，首先介绍了研究掺铒碲酸盐玻璃非线性光学特性的实验装置，研究在不同激光激发强度和晶格温度下掺铒碲酸盐玻璃的相干偏振相互作用和非线性光学效应。实验表明：对于不同的激光激发强度和晶格温度，由于掺铒碲酸盐玻璃的低声子能量，它的偏振去相时间T_2基本上是不变的；在高激发强度或高晶格温度下，由局域场效应引起的零时间延迟信号逐渐增强；在远离零时间延迟的正时间延迟和负时间延迟方向分别出现了两个边带峰，它们是由库仑相互作用产生的非线性效应引起的。同功率、同温度，不同浓度下，零时间延迟处主峰的逐渐增强是由电子-空穴对能量的重新组合传输到Er~(3+)，导致Er~(3+)的激发引起的，而信号的上升时间和下降时间的变短是由非共振能量传输引起的。光学材料的超快特性及测量研究最后对本文的主要工作和今后的发展方向进行了总结和展望。
杨青[2]2009年在《基于飞秒激光的复合材料光学非线性与诱导微结构的研究》文中进行了进一步梳理飞秒激光脉冲所特有的超短脉冲持续时间和超高峰值功率的特点,为人类进一步认识超快现象提供了先进的测量手段,同时也为微纳结构材料的制备提供了一种全新的方法和工具。由于高速度、大容量信息技术发展的需求,全光开关、全光存储以及全光逻辑器等光无源器件引起了国际学术界的广泛关注,新型、高性能非线性光学材料的开发和利用对相关技术的发展起着关键的支撑作用。因此,研究飞秒激光与非线性光学材料之间的相互作用机理具有重要的科学意义和应用价值。飞秒激光诱导光Kerr效应是目前探索非线性光学材料特性的重要手段之一。本论文采用飞秒激光诱导光Kerr效应技术对铋硼氧化物玻璃、酞菁铅以及C_(60)掺杂有机-无机杂化体材料在30fs超短脉冲作用下的超快响应及其作用机理进行研究,并与200fs较长脉冲作用下的超快响应和作用机理进行对比,取得了如下研究成果:1.30fs激光诱导光Kerr效应测得CS_2分子再取向的响应时间约为1.6ps,其光Kerr信号强度随泵浦光与探测光的偏振方向之间的夹角θ呈周期性变化,周期为π/2。证实了对于CS_2,30fs激光诱导产生的光信号主要起源于光致双折射效应,即光Kerr效应。2.PbPc掺杂有机-无机杂化体材料的超快响应时间优于85fs,为目前在金属酞菁中所观察到的最快响应时间。响应曲线包括一个快响应过程和一个慢响应过程,且以快响应过程为主。由于PbPc染料浓度低,仅为0.12wt.%,因此相同条件下Kerr信号强度只有CS_2的1/4,要进一步提高Kerr信号的强度,必须设法增加样品的掺杂浓度。3.PbPc掺杂有机-无机杂化体材料的光Kerr信号强度与泵浦/探测光偏振方向夹角的关系曲线表明,30fs激光诱导时PbPc材料所产生光信号以Kerr信号为主;由瞬态光栅所引起的自衍射效应虽然存在,但只占很小的比例。这与200fs激光诱导时PbPc材料产生的光信号主要来源于瞬态光栅所引起的自衍射效应有着本质的区别。研究表明,不同脉冲宽度的激光诱导时,其信号形成的物理机制有着本质的区别。4.C_(60)掺杂有机-无机杂化体材料与PbPc掺杂有机-无机杂化体材料有着相同的光诱导信号特征;30fs脉冲激光诱导所测得叁阶非线性系数比用200fs脉冲激光诱导所测得叁阶非线性系数小一个数量级,原因在于200fs激光脉冲诱导时瞬态自衍射效应使得泵浦光的部分能量转移到探测光方向,使得探测到信号强度较大。进一步说明了用不同脉冲宽度的激光诱导富勒烯及其衍生物体材料时,诱导光信号产生机理有所不同。30fs脉冲激光诱导产生的信号主要源于光致双折射效应,由此测得的叁阶非线性系数更能准确反映材料的非线性特性,这对进一步研究提高富勒烯及其衍生物的叁阶非线性系数具有实际的指导意义。5.BI氧化物玻璃的响应时间为90fs,是目前在非线性光学玻璃中观察到的最快响应时间。超快响应时间的对称性表明BI响应了激光脉冲的宽度。偏振依赖特性实验表明,BI氧化物玻璃的Kerr效应是较单一的电子响应,这一特点表明这类非线性玻璃材料具有优良的超快光开关品性。6.利用飞秒激光瞬态相干方法在偶氮薄膜和金铬薄膜上成功诱导出微光栅结构;研究了飞秒激光脉冲宽度对诱导微光栅结构的影响。实验证明这种方法有望成为在难加工材料上制备周期微结构的一种有效方法。7.通过利用飞秒激光辐照ZnO多晶材料,在材料表面成功诱导出规则的纳米周期结构。且微结构的周期由波长决定,与辐照能量大小无关;辐照能量大小对形成的纳米结构形状有很大影响;纳米结构的取向与诱导激光的偏振方向有关,通过调整激光偏振方向可以有效控制纳米结构的取向;通过表面扫描方式,在ZnO多晶材料表面诱导制备了大面阵的规则排列的ZnO纳米结构。
刘达辉[3]2016年在《几种有机染料的双光子吸收效应和矢量光场Z-扫描表征技术研究》文中指出非线性光学发展至今主要集中于两个方面的研究：发展具有高灵敏度和高可靠性的非线性光学表征技术；寻找具备超快响应时间、超强非线性光学效应的材料。Z-扫描作为表征光学非线性的一种重要技术,具备装置简单、测量灵敏度高、可同时获得材料的非线性折射系数和非线性吸收系数的大小和符号等优点而广泛用于各种非线性光学材料的表征。针对Z-扫描技术研究者提出了各种改进方法来提高其测量灵敏度,拓展其测量内容,这些改进方法一般是用标量场激发。偏振作为光场的一个重要属性,在光与物质相互作用方面有着极其重要的作用。矢量光场是一种偏振态空间分布各向异性的特殊光场,调控偏振态的分布可以得到各种新颖的焦场,如环状场、针形场、双焦点等。特殊的焦场会增强光与物质间相互作用,出现众多不同于标量光场的新颖效应,因此将矢量光场用于Z-扫描技术将是一种有益的尝试。另一方面有机染料材料作为一种新型的非线性光学材料,具有损伤阈值高、非线性光学效应强和超快响应时间等优点。金属酞菁配合物和卟啉作为两种重要的有机染料,在光限幅、3D微制造和荧光显微检测等方面有着极其重要的应用。本论文的主要创新点包括以下两部分：第一,表征了二层金属酞菁配合物M[Pc(OC8H17)8]2(M=Ce(1),Sm(2),Lu(3))系列和Donor-π-Acceptor型卟啉在飞秒脉冲光激发下的非线性吸收效应,并分析了两种材料产生非线性吸收效应的物理机制；第二,提出了矢量光场Z-扫描技术用于表征饱和吸收效应和叁阶非线性折射效应,实验上通过矢量光场Z-扫描技术研究了二维体材料WS2的饱和吸收效应和石英晶体叁阶非线性折射效应。主要研究内容如下：1.报道了叁明治结构金属酞菁配合物和Donor-π-Acceptor型卟啉在飞秒激光激发下的非线性吸收效应并分析了其产生非线性吸收的物理机制。研究了叁明治结构金属酞菁配合物稀土金属取代基不同时的非线性吸收变化,分析了影响其非线性吸收大小的原因,探讨了该类材料在光限幅等方面的应用。研究了新型卟啉的荧光和非线性吸收等相关性质,分析了产生这些现象的物理机制。2.矢量光场z-扫描技术的理论和实验研究。理论上分别给出了矢量光场z-扫描表征非线性饱和吸收和叁阶非线性折射的位置z依赖的归一化能量透过率函数T(z)。实验上用矢量光场Z-扫描分别研究了类石墨烯层状材料WS2的饱和吸收效应和石英的叁阶非线性折射效应。结果表明相比于传统标量光场Z-扫描技术,矢量光场Z-扫描技术提高了测量可靠性和灵敏度。
范贺良[4]2010年在《适用于全光开关的具有叁阶非线性光学效应的dmit材料聚合物复合薄膜的性能研究》文中指出全光开关可以突破限制电、声、热、机械等光开关单通道传输速率的瓶颈,实现数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行。因而,研究解决可实现全光开关的关键材料与器件是当今国际光电科学技术发展的前沿问题,受到了人们高度关注。全光开关的类型有多种,其中最具代表性的Mach-Zehnder干涉型全光开关主要利用了材料的叁阶非线性光学效应。用一束控制光引起材料的折射率变化,信号光在其中通过时就会带来相位的变化,从而实现光开关的开关动作。其非线性相移与2πn2IL／λ成正比,其中I是光强,L是光波相互作用长度,n2是非线性折射率。全光开关的交换速度、能耗、对偏振态的敏感性、插入损耗等性能,均取决于用于器件制备的叁阶非线性光学材料。长期以来,国际上对叁阶非线性光学材料的研究主要集中在基于分子取向的铁电液晶、基于带隙共振吸收的半导体、金属氧化物类、硫系玻璃、有机染料、富勒烯衍生物及以聚乙二炔、聚乙炔、聚苯乙炔为代表的聚合物等材料上。其中,液晶的响应速度偏慢,有机染料和聚乙二炔等导电聚合物的非线性折射率较小,半导体材料由于其带隙共振作用导致非线性吸收较大、响应速度也变慢,总之,以上几类材料都难以满足全光开关器件化的要求。本论文基于全光开关应用的需要,致力于探索集高叁阶非线性光学效应和高迁移率性能于一体的配合物型材料,即从有机配合物超导体、导体和半导体一类材料中探索高迁移率的材料,从而避开线性吸收区域工作并响应速度极快。特别是当配合物型材料在有机共轭体系中引入金属离子以后,金属与有机体系之间的电荷转移使得整个共轭体系的电子离域性更强,可以进一步增强有机化合物的叁阶非线性光学特性并提高迁移率,产生具有快速响应的非共振叁阶非线性光学效应。早期,1,3-二硫杂环戊烯-2-硫酮-4,5-二巯基(简称dmit)类有机配合物材料导电特性被人们广泛关注,对它们的叁阶非线性光学特性以及其它相关性能进行深入研究。近年来,人们渐渐发现这类材料的分子具有优良的π电子共轭体系,离域π电子很容易带来大的三阶非线性光学效应。本文将研究对象集中于dmit这一类有机／无机配合物型半导体材料,对它们的叁阶非线性光学特性以及其它相关性能进行深入研究。在前期工作中,本课题组已经对dmit类材料在溶液中的叁阶非线性光学特性做了较为深入地研究,筛选出了几种具有较大非线性折射和较小非线性吸收的材料。本论文在前人工作基础上,有针对性的对几种dmit类材料在薄膜中的叁阶非线性光学特性做了系统性的研究,从内部机理探讨了影响材料非线性光学特性的各项因素,并对影响薄膜非线性响应和光学质量的热致损耗和光传输损耗性质做了初步探索。目的是为了探索到适用于全光开关器件应用的非线性光学材料和提高材料叁阶非线性折射,降低线性和非线性吸收的理想途径,为材料的最终器件化提供实验和理论依据。本论文的研究工作主要体现在以下几个方面：1、Dmit/PMMA聚合物复合薄膜叁阶非线性光学特性研究。筛选出了几种具有较大非线性折射和较小非线性吸收,能够被考虑用在全光开关器件制作上的候选材料,并发现了其叁阶非线性光学性质与中心金属离子及结构密切相关的规律。全光开关器件要求材料不仅具有大的非线性折射率,而且需要具有小的线性和非线性吸收。对于采用Z-扫描方法得到的材料非线性折射率、非线性吸收以及二阶分子超极化率等光学参量,我们用两个品质因子W=n2I／α0λ和T=βλ/n2来分析dmit材料是否适合于全光开关器件的研制,当|W|>>1而且|T|<<1时,就认为这种材料符合全光开关器件研制要求。对金属离子分别为Au和Cu的dmit类材料的叁阶非线性光学特性研究发现,两类材料都具有较大的非线性折射效应,而Cu(dmit)2类材料相对于Au(dmit)2类材料则具有更大的非线性吸收。得到的两种Au(dmit)2类材料[C16H33(CH3)3N][Au(dmit)2] (CTAu)和[(CH3)4N][Au(dmit)2] (MeAu)的品质因子W和T都满足|W|>>1而且|T|<<1的要求,而Cu(dmit)2材料的|T|>>1。由此可断定,CTAu和MeAu两种材料满足全光开关器件对非线性光学材料的要求,在全光开关器件化方面具有较好的应用前景,而Cu(dmit)2类材料则不适合用在全光开关应用上。通过提高BFDT／PMMA聚合物复合薄膜中非线性基元的掺入量,薄膜的非线性光学响应得到显着提高,其中非线性折射增强的同时非线性吸收的变化很小。并且该类材料除了表现出较强的非线性折射效应以外,它们的非线性吸收效应很小以致于可以忽略不计,其品质因子W的值在1.05～3.87之间,而T≈0,基本满足|W|>>1和|t|<<1的要求,所以该类材料也是将来可以用在全光开关器件制作上的良好候选材料。2、dmit类材料的超快时间响应特性研究。采用飞秒时间分辨光克尔技术得到了dmit类材料的光克尔信号的响应时间都在200 fS左右,其响应速度比当前通用的电光开关的响应速度约快4～6个数量级。其中一些材料的响应时间是首次报道。以dmit类材料作为研究对象,除了由于它们具有较大的由π共轭结构引起的三阶非线性光学效应之外,更多的是因为其相对于其它材料具有超快响应速度的特性。3、Dmit／PMMA聚合物复合薄膜热效应因素研究。得出了随着薄膜体系内非线性基元掺入量的增加,薄膜非线性光学效应增强的同时,热效应影响也相应增大的规律。利用带有温度控制装置的棱镜耦合系统得到的dmit／PMMA薄膜的热光系数在10-5/℃量级。由热效应引起的热致折射率变化是阻碍全光开关器件实现开关状态和超快响应速度的主要因素。通过降低薄膜体系的线性吸收和非线性吸收,可以有效减小热效应的影响。4、BFDT/PMMA聚合物复合薄膜的光传输损耗研究。降低波导薄膜中的光传输损耗,可以提高薄膜光学稳定性和实用性,进而优化波导器件开关性能。通过比较不同掺杂浓度下BFDT/PMMA聚合物复合薄膜的光传输损耗系数,得出随着掺入量的增加,薄膜的传输损耗也呈近似线性增加的趋势。改善薄膜的制备工艺和表面处理技术,减少薄膜中的散射点,是有效降低光传输损耗的途径之一。采用聚合物包覆法制备的dmit/PMMA聚合物复合薄膜,以表面活性剂作为包覆剂,所制备的薄膜在扫描探针显微镜的观察下发现其表面均匀分布着dmit材料析出的纳米晶颗粒,颗粒的尺度约在20～50 nm之间。Dmit材料被均匀地掺入进了聚合物PMMA基质中去。用此种方法制备的BFDT/PMMA聚合物复合薄膜的光传输特性得到明显改善。5、Cu(dmit)2类材料在纳秒脉冲激发条件下的光限幅特性研究。通过一个五能级模型分析,得到Cu(dmit)2类材料在18ns脉冲激发条件下会发生反饱和吸收的结论,然后对其由反饱和吸收引起的光限幅特性做了详细研究。获得了的丙酮溶液样品在纳秒激光通过叁个不同光学厚度后的光限幅阈值,其高的线性透过率和低的非线性透过率性质揭示了Cu(dmit)2类材料在激光防护等光限幅领域良好的应用前景。并对这两种材料之间光限幅效应的差异从其内部分子不同阳离子结构的角度做了阐述,明确了阳离子半径更小是导致EtCu的光限幅特性强于BuCu的原因。综上所述,本论文对dmit类材料的叁阶非线性光学特性以及时间响应特性做了分析,研究了含金属离子和不含金属离子材料、具有同种金属离子和不同阳离子的材料、不同金属离子的材料在不同脉宽和波长下的非线性光学现象,揭示了阳离子和金属离子对材料非线性光学响应的影响和非线性吸收与不同脉宽之间的关系。另外,通过对不同掺杂浓度的dmit／PMMA聚合物复合薄膜的热效应和光传输损耗的研究,揭示了薄膜中非线性基元的掺入量对其热致损耗和光传输损耗的影响。通过对材料的筛选,获得了一些可以在全光开关及光限幅等领域有着良好应用前景的非线性光学材料。在现有材料的探索和性能研究的基础上,通过揭示材料分子结构以及外部因素与材料功能特性之间的内在联系,找到了一些解决问题的有效方法和途径,重要的是为将来进一步的深入研究指明了方向。本论文的工作将为下一步的波导器件制作与研究工作,提供重要的实验基础。
卿胜兰[5]2013年在《Cd_x/CdS-SiO_2复合薄膜的电化学-溶胶凝胶法制备及其非线性光学性能研究》文中研究表明CdS基材料具有优良的叁阶非线性光学性，并且制备简单、性能稳定，在光通讯、光信息处理等方面具有广阔的应用前景，可应用于矿山安全监测、信息传输等方面。电化学-溶胶凝胶法结合了溶胶凝胶法和电化学沉积的优势，能够方便地制备出高质量的薄膜材料。论文采用相同的镉源，不同的硫源，通过溶胶-凝胶法制备了两种复合溶胶。分别以两种复合溶胶为电解液，采用电化学方法在ITO导电玻璃基底上制备了高透明的Cd_x/CdS-SiO_2复合薄膜。不同硫源的选取可改变溶胶中镉源的存在形式，使镉源转变为CdS或仍保持为Cd~(2+)，从而达到改变复合薄膜组成的目的，希望能提高薄膜的叁阶非线性光学性。通过对薄膜微观形貌和组成的表征，对薄膜的光学性质、厚度的测试，和对薄膜的叁阶光学非线性的分析，取得了如下成果：⑴以硫代乙酰胺为硫源，以硝酸镉为镉源，以正硅酸乙酯为硅源，通过溶胶-凝胶法制备了CdS-SiO_2复合溶胶。采用循环伏安法研究了溶胶的电化学行为，分析表明复合溶胶在配制过程中硫代乙酰胺已将Cd~(2+)全部转化成了CdS，Cd元素以CdS的形式进入薄膜。以硫脲为硫源，以硝酸镉为镉源，以正硅酸乙酯为硅源，通过溶胶-凝胶法制备了Cd~(2+)-SiO_2复合溶胶。循环伏安分析表明，电化学沉积时溶胶中有Cd~(2+)的还原反应，CdS通过Cd(NO3)2和CS(NH2)2共沉积生成。通过改变硫源，溶胶的组成及其电化学行为发生了改变。⑵SEM-EDS表征表明，两种复合薄膜均由互相掺杂的100nm×10nm和25nm×10nm的纳米束组成，薄膜组成元素为Si、Cd、S、O。XRD表征表明两种复合薄膜均含有CdS，以硫脲为硫源制备的复合薄膜中有金属镉掺杂。综合CV实验、EDS和XRD表征结果，分析认为以硫代乙酰胺为硫源制备的复合薄膜为CdS-SiO_2复合薄膜，以硫脲为硫源制备的复合薄膜为Cd/CdS-SiO_2复合薄膜。成功通过对硫源的改变调控了薄膜的组成。⑶Cd_x/CdS-SiO_2复合薄膜在300nm~1100nm范围内透射率高、反射率低、对光具有弱的吸收。通过台阶仪测量得到CdS-SiO_2复合薄膜的厚度为37.8nm~52.1nm，Cd/CdS-SiO_2复合薄膜的厚度为48.0nm-310.5nm，薄膜厚度与电化学沉积条件有关。通过计算得到CdS-SiO_2复合薄膜在1064nm处的吸收系数为2.39106m1~3.33106m1，Cd/CdS-SiO_2复合薄膜在1064nm处的吸收系数为2.56105m1~3.59106m1。⑷通过Z-scan法测试了薄膜的非线性折射系数、非线性吸收系数和叁阶非线性极化率。分析得到，不同电化学条件下制备的Cd_x/CdS-SiO_2复合薄膜均具有饱和吸收特性的非线性吸收，和自散焦特性的非线性折射效应。从开孔曲线和闭孔曲线的形状可判断Cd_x/CdS-SiO_2复合薄膜具有叁阶非线性光学性。结合薄膜的透射率、反射率等光学参数和薄膜厚度，通过Z-scan理论公式计算得到CdS-SiO_2复合薄膜的叁阶非线性极化率为2.6510-6esu~5.4210-6esu，Cd/CdS-SiO_2复合薄膜的叁阶非线性极化率为1.6210-6esu~1.0610-5esu。其值稳定达到或超过了文献报道的最高值。对比发现，掺杂金属Cd可提高薄膜的叁阶非线性光学性。⑸分析认为，Cd_x/CdS-SiO_2复合薄膜的叁阶非线性光学性来源于CdS和金属Cd。CdS的非线性机理为共振非线性，非线性光学效应大。CdS中S原子为二重配位，并且拥有两个未成键的孤对电子，具有很快的非线性响应。金属Cd通过局域场理论和热电阻效应使薄膜具有非线性光学性。本文成功将溶胶-凝胶法与电化学沉积相结合，制备出了高透明的CdS-SiO_2复合薄膜，并通过掺杂金属Cd提高了薄膜的叁阶非线性光学性。其(3)值能稳定达到10-6esu~10-5esu，高于文献报道值的10-13esu~10-7esu。
芦泓宇[6]2012年在《金银纳米粒子的飞秒激光制备及光学非线性研究》文中认为金属纳米粒子在与光作用时会出现表面等离子体共振效应，这种效应会引起局域电场增强，可以使金属纳米材料具有大的光学非线性极化率及超快的响应速度。具有大的光学非线性和超快的响应的材料是制备超快光电器件关键。研究金属纳米颗粒的光学非线性有助于理解能量在电子-电子、电子-声子、声子-声子之间转移的过程，弄清非线性的产生机制。金银等贵金属纳米粒子的表面等离子体共振峰在可见光范围内，因此受到了更广泛的研究重视。本论文研究了金银纳米粒子的光学非线性。简要阐述金银靶材烧蚀的动力学过程，采用飞秒激光烧蚀法制备了金银纳米粒子。利用飞秒激光开孔Z-scan技术，研究了能量、重复频率对金银纳米粒子光学非线性吸收性质的影响。研究发现，在波长为400nm能量较低的飞秒激光脉冲作用下，金纳米粒子呈现出反饱和吸收的性质，而银纳米粒子呈现饱和吸收特性。随着能量增大，银纳米粒子还呈现出由饱和吸收向反饱和吸收转化的现象。并且激光重复频率对开孔Z-scan实验曲线的对称性也有影响。另外，利用飞秒激光泵浦-探测技术研究了金银纳米粒子的超快光动力学过程。通过理论分析得出金银纳米粒子的特征弛豫时间。
唐莎娜[7]2017年在《新型二维材料黑磷的非线性光学吸收特性研究》文中研究说明伴随着科技的日新月异,为满足超快激光和光通信技术的迭代更替,在寻找符合技术需求的产品上一直是技术发展的瓶颈。光学器件中,具备诸如非线性滤波、被动锁模及调Q特性的二维光学材料市场需求极大。现阶段一般采用叁阶非线性光学性能的测试方法来展开对非线性光学材料的探讨研究。作为新型二维材料的重要成员——黑磷,是一种层状半导体材料,单层黑磷是继石墨烯之后发现的第二种单元素二维原子晶体,因其以其独特的物理及化学特性刷新了人们对传统纳米技术的观点,黑磷的能带具有随着层数可变的奇异特性(单层2.0 eV,多层0.3 eV),并且单层和多层黑磷始终保持着直接带隙结构。黑磷已经在实验上证明其具有宽带的可饱和吸收性能,并在多个波段的锁模应用中得到验证。但如何进一步提升黑磷的锁模或调Q器件性能,针对黑磷的进一步非线性光吸收特性研究十分必要。本论文主要从超快激光的脉宽参数对黑磷的叁阶非线性吸收的影响,及不同层数的黑磷样品对强激光吸收的叁阶非线性光学效应展开实验研究,并取得如下研究成果:(1)实验研究了黑磷分散液样品,在中心波长为800 nm钛宝石激光器为光源,测量不同脉宽下的开孔Z-scan。分别得到表示了样品在100 fs、1 ps和10 ps脉宽下的开孔Z-scan曲线。黑磷溶液具有可饱和吸收特性由实验的归一化透射曲线都能显示出来。当峰值光强从6.549到776.2 GW/cm2逐渐增大时,我们可以发现在叁种脉宽的辐照下,黑磷的叁阶非线性极化率虚部、品质因子以及非线性吸收因子与脉宽成正比,而黑磷分散液的饱和光强恰巧与脉宽成反比,叁种脉宽下的调制深度基本保持一致。(2)实验研究了不同层数黑磷样品分散液吸收特性,使用液相剥离的方法制备了叁种不同层数的黑磷(5krpm、7.5krpm、10krpm),将其分散在NMP溶液中。通过自行搭建的Z-scan系统,以可调波长范围的飞秒激光器为光源,在600nm波段下进行开孔Z-scan,结果表明,不同层数的黑磷分散液都具有饱和吸收性,调制深度随着层数成正比。本论文研究结果为基于黑磷的超快激光应用提供了实验参考,为设计黑磷器件提供依据。
顾少轩[8]2006年在《GeS_2-Ga_2S_3-CdS体系非线性光学玻璃的制备、结构与性能研究》文中提出非线性光学材料是光信息技术的关键材料之一，在全光信号处理、光子计算机等方面有广泛的应用前景。玻璃是一种新型的非线性光学材料。硫系玻璃具有比一般氧化物玻璃更高的非线性光学系数，因而硫系非线性光学玻璃是国际前沿研究课题。Ge-Ga-S体系玻璃具有优良热稳定性、化学稳定性和较高的可见光透过率，并易于通过组成控制在玻璃结构中引入结构缺陷来提高其非线性光学性能。因此，对于GeS_2—Ga_2S_3—CdS非线性光学玻璃的研究具有重要的理论意义和应用价值。 本文采用常规熔融淬冷方法制备了GeS_2—Ga_2S_3—CdS准叁元体系玻璃；采用X-射线衍射谱、拉曼散射、综合热分析、紫外-可见-近红外光谱、红外光谱等技术对GeS_2—Ga_2S_3—CdS准叁元体系玻璃的组成、结构、基本物理性能及其相关性进行了系统研究，利用飞秒Optical Kerr Effect(OKE)技术研究了该体系玻璃的超快叁阶非线性光学性能及其与组成和结构的关系，采用Maker条纹测试技术研究了该体系玻璃中电场-温度场诱导的的二阶非线性光学效应(SHG)。 在前人研究基础上，确定了GeS_2—Ga_2S_3—CdS准叁元体系玻璃的形成区，发现GeS_2—Ga_2S_3—CdS玻璃的玻璃转变温度在375-436℃之间，确定玻璃形成能力最佳的玻璃组成为90GeS_2·5Ga_2S_3·5CdS。 GeS_2—Ga_2S_3—CdS玻璃的结构及其与性能相关性研究表明，玻璃的结构基元是[GeS_(4／2)]、[GaS_(4／2)]或S_3Ge(Ga)-(Ga)GeS_3双四面体，它们通过共顶、共边连接，向叁维空间延伸，形成无规则网络结构；CdS提供非桥硫，起降低玻璃网络聚合程度的作用；玻璃结构缺陷源于组成上的非化学计量和CdS的解聚作用；紫外截止边λ_(vis)、密度d、折射率n等性能与玻璃组成紧密相关，λ_(vis)主要决定于组成元素的原子量，n、d决定于Ge的含量，热性能和耐水性与玻璃的结构紧密相关；玻璃在500nm～1100nm之间的透过率超过50％。 GeS_2—Ga_2S_3—CdS体系玻璃有较强的超快叁阶非线性光学反应。结果表明，所有玻璃的OKE信号在0点都是对称的，信号宽度为150fs，玻璃中的缺陷越少，x~((3))值越高，最高可达10~(-12)esu；玻璃的超快叁阶光学非线性与线性折射率n之间不呈线性关系；玻璃OKE信号的光感应增强的主要原因是IVAP(Intimate Valence Alteration Pairs)沿外场方向平行排列，导致了光诱导各向异性。 经电场-温度场极化的GeS_2—Ga_2S_3—CdS玻璃形成对称性良好的Maker条纹，入射角在±(40-50)°左右时，SHG的相对强度出现最大值。二阶非线性光学效应与组成、结构及极化条件相关性研究结果表明，SHG的强弱与极化条件密切相关，在5kV、280℃、30分钟的极化条件下，70GeS_2·15Ga_2S_3·15CdS玻璃的二阶非线性极化系数x~((2))达到最大值4.36pm／V；根据偶极子取向模型，解释了SHG产生机理以及各种极化条件、组成对玻璃二阶光学非线性的影响；发现玻璃的电致极化区域位于阳极表面以下十几μm处，二阶非线性光学效应在室温下是稳定的。
陈经纬[9]2012年在《有机π电子共轭化合物复合薄膜的三阶非线性光学性能研究》文中认为现代社会已进入信息化时代,人们对通信容量和通信速度的需求与日俱增,传统的电通信已经很难满足这种需求。作为光通信技术的代表,光纤通信技术因具有传输速率高、信息容量大、传输损耗小、抗电磁干扰能力强、保密性好以及节省资源等特点得到广泛的应用。目前的光纤通信系统中,在信号发送端和接收端都需要进行光信号与电信号之间的转换,而这些光/电、电/光转换器件存在着切换速度慢、严重串话和高功耗等缺点,大大影响了系统的信号传输速度,形成了光纤通信系统中的“信息瓶颈”。为了解决这一问题,人们提出了“全光网络”的概念,它利用各种光学器件来实现信息的传输、再生、光交叉连接、光分插复用和交换/选路,不需要任何光/电、电/光转换器件,从而大幅度提高信息的传输速度。全光开关是光交叉连接和光分插复用的关键器件也是波长变换的重要器件,所以是全光网络的关键器件之一。在军事上,潜艇因具有隐蔽活动和突然攻击能力,成为军事武器系统中的重要一环,但是潜艇在水下的通信联络以及探测能力比较差,利用无线电通信或者声频信道都不能保证进行可靠的通信。光通信技术中的蓝绿光通信因为通信波长在450～570nm范围,而海水对此波段的可见光吸收损耗极小,因此蓝绿光在海水里穿透能力强而且方向性好,蓝绿光通信已经成为潜艇与地面联络以及相互间联络的重要通信方式。但是蓝绿光通信需要发射端先用电信号来调制光信号,使激光器发射的光频强度随信息的变化而变化；接收端也要经光电检测器把光信号还原成电信号,因此也存在着光/电、电/光转换的瓶颈问题。随着蓝绿光通信研究的深入,制造在蓝绿光通信领域应用的全光开关便相当重要。一种令人广泛关注的全光开关是利用材料的叁阶非线性光学特性的非线性折射型全光开关。其工作原理是利用一束控制光产生材料的折射率变化,当信号光在材料中通过时就会带来相位的变化,从而实现开关动作。国际上关于全光开关的研究,既有技术与结构方面的创新,又有新的材料的寻找和探索。由于目前还没有找到非常理想的适用于全光开关器件制备的非线性光学材料,所以新型非线性光学材料的探索和合成显得尤为重要。通常人们用两个品质因子来衡量材料是否适用于研制全光开关：W=n2I/α0λ和T=βλ/n2,其中n2为叁阶非线性折射率,I为激光光强,α0为线性吸收系数,λ为应用波长,β为非线性吸收系数。三阶非线性光学材料必须满足|W|>>1且|T|<<1才适用于研制全光开关。因此,要求叁阶非线性光学材料在工作波段的叁阶非线性折射率要大,可以降低控制光的功率,避免对器件造成损伤；线性和非线性吸收系数要小,可以降低信息传输过程中的损耗,也能减小热效应的影响；响应速度要快,可以提高开关速度；物理化学性质要稳定,易于制作成波导器件。本课题组基于全光开关对材料的要求,致力于探索和研究具有高叁阶非线性光学效应和超快响应速度的叁阶非线性光学材料。通过对大量材料的研究发现,查尔酮类和过渡金属1,3-二硫杂环戊烯-2-硫酮-4,5-二巯基(DMIT)类材料具有大的平面π电子共轭结构,在激光入射情况下π电子趋于离域,易发生极化和电荷转移,使材料具有较大的叁阶非线性光学效应。尤其是DMIT类材料,由于共轭体系中引入了金属离子,金属离子与有机体系之间的电荷转移使整个共轭体系的电子离域性更强；再加上分子中的阴离子是富含硫的基团,可以在分子间形成有效的轨道重迭,使材料的响应速度快。本文针对全光开关对材料叁阶非线性光学性质的要求,从材料内部结构与外部条件两方面探讨了影响材料叁阶非线性光学性质的各项因素。探索并合成了十余种DMIT类材料和查尔酮类材料,利用激光Z扫描技术筛选出适用于1064nm波段的金属离子分别为Au和Mn的DMIT类材料；适用于532nm波段的查尔酮类材料中的NNDC。利用聚合物包覆旋涂法将两类材料分别与PMMA聚合物复合,制备成复合薄膜,采用Z扫描方法研究了复合薄膜的叁阶非线性光学性能,利用棱镜耦合、视频摄像和光谱技术等对复合薄膜的折射率、光吸收、热效应和光传输损耗等光学性能进行了系统地研究。目的是寻找提高材料的叁阶非线性折射率,降低线性和非线性吸收和提高复合薄膜光学质量的方法,为材料的最终器件化提供实验依据。本论文的研究工作主要有以下几个方面：第一、探索并合成了十余种DMIT类和查尔酮类有机π电子共轭化合物新材料。其中中心金属离子为Mn的Mn(dmit)2材料为首次合成。首次报道了1,3-二硫杂环戊烯-2-硫酮-4,5-二巯基合金苄基叁乙基铵盐(BTEAADT)、1,3-二硫杂环戊烯-2-硫酮-4,5-二巯基合镍苄基叁乙基铵盐(BTEANDT)、二(1,3-二硫杂环戊烯-2-硫酮-4,5-二巯基)合锰四丁基铵盐(BAMDT)和(2E)-1-(2,4-二氯-5-氟苯基)-3-[4-二甲氨基)苯基]丙-2-烯-1-酮(NNDC)等新型光学材料的晶体结构、线性吸收等物理化学性质。第二、搭建了研究材料叁阶非线性光学性质的Z扫描实验装置和研究复合薄膜光传输损耗的视频摄像装置,并在数据处理等方面做了完善。Z扫描方法是研究材料叁阶非线性光学性质的常用方法,具有实验装置简单,测量灵敏度高,并能区分叁阶非线性折射和非线性吸收等优点。本论文对Z扫描方法进行了详细研究,并自行搭建了一套Z扫描实验装置,用Labview图形语言编写了自动控制数据采集和平移导轨移动的程序,用Mathcad编写了处理实验数据的程序,缩短了实验时间,提高了数据采集和结果分析的准确性。视频摄像法是能简便、准确研究复合薄膜光传输损耗的方法。本论文建立了视频摄像实验装置,利用C语言编写了处理实验数据的程序,研究了复合薄膜的光传输损耗。第叁、研究了DMIT类材料的中心金属离子和外部阳离子对材料叁阶非线性光学性质的影响。利用激光Z扫描方法研究了Au(dmit)2、Ni(dmit)2、Mn(dmit)2等材料的叁阶非线性光学性质,经计算得到了材料的非线性折射率、非线性吸收以及分子二阶超极化率等光学参数,和全光品质因子等性能参数。通过对材料性质的研究,得到了一些重要研究结果：1, DMIT类材料的叁阶非线性光学性质与材料中心金属离子密切相关。在1064nm处,Au(dmit)2材料表现出自散焦效应,非线性吸收效应可以忽略；Ni(dmit)2材料表现出自聚焦效应,非线性吸收效应为饱和吸收；Mn(dmit)2材料表现出自聚焦效应,非线性吸收效应可以忽略。进一步计算得到Au(dmit)2和Mn(dmit)2材料的叁阶非线性光学参数满足全光开关对材料品质因子的要求,而Ni(dmit)2材料则因|T|>>1而不满足要求。2, DMIT类材料的叁阶非线性光学性质与材料外部阳离子有一定关系。在1064nm处,具有相同中心金属离子的BTEAADT、1,3-二硫杂环戊烯-2-硫酮-4,5-二巯基合金叁苯基乙基膦盐(TPEPADT)、1,3-二硫杂环戊烯-2-硫酮-4,5-二巯基合金四丙基铵盐(TPAADT)和1,3-二硫杂环戊烯-2-硫酮-4,5-二巯基合金四乙基铵盐(TEAADT)等Au(dmit)2材料表现出相似的非线性折射性质,但是因为阳离子的不同而具有不同的叁阶非线性折射率。第四、研究了DMIT类材料的叁阶非线性光学性质与外部条件(激光波长、光强)的关系。1,同种材料在研究波长处于材料线性吸收的不同区域时表现出不同的叁阶非线性光学性质。处于共振区或近共振区时,较强的线性吸收会加强材料的非线性光学效应。Au(dmit)2材料在1064和532nm处均表现出自散焦效应,但非线性吸收效应在1064nm处可以忽略,在532nm处为反饱和吸收,且532nm处叁阶非线性光学参数比1064nm处大。这是因为532nm处于材料线性吸收的近共振区域,线性吸收较大,更容易发生非线性吸收,非线性光学效应也被加强。2,同种材料在不同光强下的叁阶非线性光学参数大小不同。Ni(dmit)2材料在1064nm处,当实验光强在一定范围内逐渐变大时,材料的非线性饱和吸收效应在逐渐减弱,非线性吸收系数在逐渐变小,同时叁阶非线性折射率和Z扫描曲线的峰谷差值也在逐渐变小。这是因为随着光强的增大,材料的激发态吸收截面在逐渐变小,从而导致材料的叁阶非线性光学效应逐渐变弱。第五、采用聚合物包覆旋涂法制备了Au(dmit)2/PMMA和NNDC/PMMA复合薄膜。用激光Z扫描方法研究了它们的叁阶非线性光学性质,并讨论了复合薄膜的非线性基元和掺杂质量比的不同对复合薄膜的叁阶非线性光学性质、折射率、光吸收、热效应和光传输损耗等光学性能的影响。1,选取Au(dmit)2材料与PMMA制备成复合薄膜。用Z扫描方法在1064nm处研究了它们的叁阶非线性光学性质。发现复合薄膜的非线性吸收效应小到可以忽略,且其他叁阶非线性光学参数比溶液中高叁个数量级。品质因子满足全光开关对非线性光学材料的要求：|W|>>1和|T|<<1,在全光开关器件化方面具有应用潜力。2,制备了五种不同掺杂质量比的NNDC/PMMA复合薄膜,用Z扫描方法在532nm处研究了它们的叁阶非线性光学性质,发现随着复合薄膜掺杂质量比的提高,复合薄膜的线性吸收、折射率和叁阶非线性折射率在逐渐增大,但是非线性吸收效应仍然可以忽略。品质因子|W|在逐渐增大,且都满足全光开关对材料品质因子的要求：|W|>>1和|T|<<1。同时,查尔酮类材料的响应时间在2.0ps左右。以上结果说明NNDC在蓝绿光通信领域的全光开关器件研制中具有重要的应用潜力。3, Au(dmit)2/PMMA复合薄膜的热效应因为Au(dmit)2系列材料的掺入而明显大于纯PMMA薄膜的热效应。利用有温度控制装置的棱镜耦合仪在632.8nm处测量Au(dmit)2/PMMA复合薄膜的热光系数在10-5/℃量级。由热效应引起的热致折射率变化因为其响应时间远大于电子云畸变引起的折射率变化的响应时间,所以它是阻碍全光开关器件实现超快响应速度的主要因素。通过降低复合薄膜的线性和非线性吸收或者控制复合薄膜波导工作的外部条件,可以有效减小热效应的影响。4,利用视频摄像法研究NNDC/PMMA复合薄膜的光传输损耗,发现随着掺杂质量比的提高,光传输损耗系数呈近似线性增加的趋势。降低复合薄膜的光传输损耗,可以提高复合薄膜的稳定性和实用性。完善复合薄膜制备工艺和复合薄膜表面处理技术,提高复合薄膜的光学质量,是有效降低复合薄膜光传输损耗的途径。第六、DMIT类材料的时间响应特性的研究。利用飞秒分辨光克尔方法获取了DMIT类材料的光克尔信号的响应时间,其中部分材料的响应时间是首次报道。发现DMIT类材料的响应时间都在200fs左右,响应速度比目前常用的电光开关约快4-6个数量级。说明DMIT类材料的响应速度可以满足全光开关对材料的要求。综上所述,本论文针对全光开关对材料叁阶非线性光学性质的要求,从材料内部结构与外部条件两方面探讨了影响材料叁阶非线性光学性质的各项因素。研究了具有大的平面π电子共轭结构的查尔酮类和过渡金属DMIT类材料,研究了具有不同金属离子的材料、具有同种金属离子和不同阳离子的材料、同种材料在不同激光强度和波长下的非线性光学现象,揭示了阳离子和金属离子对材料叁阶非线性光学效应的影响。发现Au(dmit)2材料和NNDC具有叁阶非线性折射率大、线性和非线性吸收系数小及响应速度快的特点,分别可以满足光纤通信和蓝绿光通信中全光开关对材料品质因子的要求。通过制备复合薄膜,系统研究了复合薄膜的非线性基元和掺杂质量比对复合薄膜的叁阶非线性光学性质、折射率、光吸收、热效应和光传输损耗等光学性能的影响,找到了一些解决问题的有效方法和途径,为下一步优化波导器件性能及设计制作全光开关器件提供了重要的依据。
李泳[10]2005年在《金属同（异）核簇合物的低温固相合成、结构及叁阶非线性光学性能的研究》文中研究指明本论文主要是利用室温/低温固相方法合成了含P、N、S 配位原子的钼(钨)/铁/铜(银)簇合物、金属-卤素簇合物等一系列无机/有机杂化材料,并对它们进行了单晶结构测定和解析,同时,对所合成的化合物进行了相关性能的表征。运用室温/低温固相合成方法, 利用氮气保护下非水介质的溶液方法培养单晶技术, 获得了近20 个配位化合物,并对其中12 个配合物单晶收集了X-射线衍射数据,同时,对这些配合物进行了红外、紫外-可见、顺磁、光电子能谱及其叁阶非线性光学性能等的测试。结果表明,这些化合物大部分具有良好的叁阶非线性光学性能,为进一步探索化合物功能特性与结构的关系奠定了基础,同时也为该类化合物的分子设计与定向合成迈出了重要的一步。
参考文献：
[1]. 光学材料的超快特性及测量研究[D]. 王宇飞. 华东师范大学. 2004
[2]. 基于飞秒激光的复合材料光学非线性与诱导微结构的研究[D]. 杨青. 中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）. 2009
[3]. 几种有机染料的双光子吸收效应和矢量光场Z-扫描表征技术研究[D]. 刘达辉. 东南大学. 2016
[4]. 适用于全光开关的具有叁阶非线性光学效应的dmit材料聚合物复合薄膜的性能研究[D]. 范贺良. 山东大学. 2010
[5]. Cd_x/CdS-SiO_2复合薄膜的电化学-溶胶凝胶法制备及其非线性光学性能研究[D]. 卿胜兰. 重庆大学. 2013
[6]. 金银纳米粒子的飞秒激光制备及光学非线性研究[D]. 芦泓宇. 黑龙江大学. 2012
[7]. 新型二维材料黑磷的非线性光学吸收特性研究[D]. 唐莎娜. 深圳大学. 2017
[8]. GeS_2-Ga_2S_3-CdS体系非线性光学玻璃的制备、结构与性能研究[D]. 顾少轩. 武汉理工大学. 2006
[9]. 有机π电子共轭化合物复合薄膜的三阶非线性光学性能研究[D]. 陈经纬. 山东大学. 2012
[10]. 金属同（异）核簇合物的低温固相合成、结构及叁阶非线性光学性能的研究[D]. 李泳. 吉林大学. 2005
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