几种DMIT类金属有机配合物的三阶非线性光学性能和光传输特性的研究

摘要

在目前的通信网中存在光电和电光转换器件，而这些电子装置切换时间慢、时钟发生偏移，以致于产生了光纤通信系统中的“信息瓶颈”现象。全光开关可以突破限制电、声、热、机械等光开关单道传输速率的极限，是解决这个问题的一个有效手段。相位型全光开关主要利用材料的三阶非线性光学效应，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(2π/λ)n<,2>IL成比例，I是光强，L是光波相互作用长度，n<,2>为非线性折射系数。全光开关的交换速度、能耗、对光偏振态的敏感性、插入损耗等性能，皆取决于用于器件制备的三阶非线性光学材料。目前人们以极大的热情关注适于制作全光开关的材料的探索和研究，基于不同种类的新材料不断涌现。 三阶非线性光学材料还有其它方面的应用，包括光限幅器件、调Q、被动锁模、光计算、光存储等。随着飞秒、皮秒等超快激光的出现，应用于军事上的激光武器在光电对抗、防空和战略防御中发挥着独特的作用。激光致盲可使人眼暂时或永久失明，激光也可以摧毁卫星上的探测器和传感器等重要器件。同时，相应的对抗措施已引起许多国家的高度重视，激光防护材料和激光防护器件也成为了当今的一个热门课题。激光防护的目的就是保护人员和设备等免受高能激光的损害。这些光限幅器件主要是基于材料的三阶非线性光学性能，包括自聚焦和自散焦、双光子吸收、反饱和吸收和非线性散射等效应。相比于早期的激光防护器件，它具有响应快、防护波段宽、限幅阈值低、损伤阈值高和线性透过率高等优点。材料的三阶非线性光学性能还可应用于激光脉冲的压缩(调Q和锁模)、整形及光学双稳态研究等方面。 三阶非线性光学材料所具有潜在的多方面激动人心的实际应用价值，迫使科学家们不断探索、寻求具有高三阶非线性光学性能的新材料。可用于全光信息处理和超高速全光开关的材料需要满足以下条件：材料的非线性折射率要大、线性吸收和非线性吸收系数要小、响应速度要快、光传输损耗要低。基于实用化器件对材料的要求，我们课题组进行了一系列新材料的探索，全面系统地研究了这些新材料的三阶非线性光学性能，并研究了三阶非线性光学材料复合聚合物薄膜的光传输特性。 在探索性能优异的新型非线性光学材料的过程中，建立并优化对材料的三阶非线性光学全面性能的表征技术是至关重要的，它可以从内在机制方面揭示材料具有三阶非线性光学性能的根本原因，为新材料设计的优化和性能的改进提供重要的指导作用，同时为器件的设计提供可靠的依据。 本论文主要内容有以下几个方面： 一、探索并合成了一系列金属有机配合物金属双噻吩(DMIT,DMF[’代表1，3dithiol-2-thione-4，5-dithiolate)类材料，如BPAu、EtCu、EtCd等为新型光学材料，对它们的单晶结构和线性吸收等性质进行了首次报道。 近年来，随着皮秒和飞秒等超快、高功率激光器的出现，三阶非线性光学材料逐渐成为非线性光学研究领域的热点。三阶非线性光学效应不需要材料具有对称中心，因而几乎存在于所有的光学材料中。三阶非线性光学效应比较强的材料大概分为以下几类：半导体类、金属氧化物类和有机材料等。有机材料有很多显著的优点，如易组合、可剪裁、易集成器件、具有低的介电常数、快的非线性光学响应速度、高的激光损伤阈值、较高的非共振非线性极化率和相对低的成本等等，是近年来研究比较多的一类材料。这类有机材料一般具有万电子共轭体系，离域万电子在材料的三阶非线性光学效应中起着重要作用。我们课题组在探索具有高三阶非线性光学性能材料的过程中，探索并合成了多种金属有机配合物DMIF、类新材料，一类优良的金属有机半导体材料，dmit(C<,3>S<,5>)部分在整个分子中是富含硫的阴离子，简写为Metal(dmit)<,2>，它们大多具有中心对称的结构，中心的金属离子可以是Au、Cu、Cd、Ni、Co等，通过替换不同的金属离子，材料的性质可以改变。从这类材料的分子结构式上可以看到，它们具有优良的π电子共轭体系，有机体系π共轭电子与金属离子的d轨道可通过轨道重叠，相互作用而形成更大的万电子离域体系，而有机体系与金属之间的电荷转移提高了电荷转移程度，从而增强了非线性效应。并且，作为有机半导体、超导体的金属有机配合物DMIT型材料，由于具有好的导电性，即大的电子迁移率，还可以带来快的非线性光学响应。本课题组选择金属有机配合物作为研究方向，系统合成了不同中心金属离子的二十余种DMIT类金属有机配合物，其中BPAu、EtCu、EtCd等为新型光学材料，我们对这些新材料的单晶结构和线性吸收等性质进行了首次报道。 2.搭建了一套Z-扫描实验装置，以金属有机配合物DMIT类材料为研究对象，系统地研究了该类材料的三阶非线性光学性能，全面表征了材料的非线性折射率、非线性吸收系数、三阶非线性极化率、分子二阶超极化率、基态和激发态吸收截面等性能参数，深入研究了不同分子结构、不同激光波长和不同脉宽等因素对材料的三阶非线性光学性能的影响。 表征材料的三阶非线性光学性能的方法有很多，包括干涉法、三波混频、简并四波混频、椭偏法、光束畸变方法和z．扫描方法等，其中的Z-扫描方法是由M.Sheik-Bahae等人在1989年提出的一种研究材料三阶非线性性能的测量技术，这种方法不仅实验装置简单，测量灵敏度高，并且能区分三阶非线性极化率的实部和虚部，已经成为表征材料三阶非线性光学性能的最重要和最常用的方法。本论文给出了Z-扫描方法的理论和常用公式，搭建了一套Z-扫描实验装置，并在仪器控制和数据采集等方面做了部分改进，用Labview软件编写了控制数据采集和位移平台的测量软件，并协调了它们的工作步骤，缩短了测量时间，可以设置实验时激光能量抖动的范围，也可以设置一个工作点，对采集的脉冲数再取平均，测量过程中，通过延长光路，取测量光束最好的模式，可以提高Z-扫描曲线的平滑程度，通过以上的改进，提高了测量结果的准确性。利用我们研究组自行建立的Z-扫描等实验装置对DMIT配合物材料的三阶非线性光学性能进行了全面、系统地研究，分别测得它们的开孔、闭孔、闭孔/开孔Z-扫描曲线，详细分析了Z-扫描曲线的各种形状及其代表的意义，通过计算得到了这类材料的三阶非线性折射率、非线性吸收系数、三阶非线性极化率、分子二阶超极化率、基态和激发态吸收截面等一系列性能参数。进一步研究了不同分子结构、不同测试激光波长和不同脉冲激光宽度等因素对DMIT类材料的三阶非线性光学性能的影响。由于材料的吸收特性而可能产生非线性共振增强，三阶非线性极化率对激光波长有强烈的依赖关系，EtCu在皮秒脉宽激光条件下，在波长532nm表现出饱和吸收的特性，而在波长1062nm却表现出双光子吸收的效应。三阶非线性极化率也与测试激光的脉宽有关，不同的非线性起源，其响应时间是不同的，因而在不同脉宽下的测试结果因不同的非线性起源而结果不同，EtCd在波长532nm皮秒脉宽下表现出饱和吸收的非线性效应，在纳秒脉宽下却表现出反饱和吸收的效应。在波长为532nm、皮秒脉宽下，得到了BPAu、EtCu、EtCd等新材料的三阶非线性光学性能参数，三阶非线性折射率约在10<'11>～10<'12>esu量级，分子的二阶超极化率在10<'-31>～10<'-29>esu量级。 3．研究了几种DMIT复合聚合物薄膜的光传输特性，自行搭建了视频摄像实验装置，编写了数据处理软件，准确地表征了DMIT复合聚合物薄膜的光传输损耗，并用准波导棱镜耦合方法，确定了薄膜的折射率。 本论文对测量复合薄膜折射率的准波导棱镜耦合方法进行了详尽的推导，给出了实验和理论计算的原理和方法的具体推导过程，并采用准波导棱镜耦合方法测量了TE模式下DMIT类复合聚合物薄膜的折射率，准波导耦合方法将折射率的测量转化为角度测量，从而具有高的测量精度。测量复合聚合物薄膜光传输损耗有多种方法，其中末端耦合方法，包括双棱镜耦合方法、三棱镜耦合方法，对端面处理和光束准直都要求很高，机械装置比较复杂；光纤探测测量技术很难准直；等差法技术对光波导表面和光路调整要求高，而且只能测量光波导表面部分点的传输损耗。我们选用视频摄像技术，因其具有结构简单、操作方便、非接触测量、测量精度高、可以取得样品任意部分的损耗数值等特点。自行搭建了实验装置，测量研究了几种DMIT类复合聚合物薄膜的传输损耗。为了提高测量精度，在硬件方面严格控制复合聚合物薄膜的质量和光路的调整，包括：基片的清洗、溶液的配制、溶液的过滤、薄膜的制备、和摄像的控制等等，在采集图像的过程中，通过加标尺、测量前景和背景、同一角度下的多次曝光、薄膜测量区域的选择等等措施来消除误差；在软件方面提高测量精度方法主要采用图像处理的方法，并用自编的软件处理数据。测量结果显示，随着复合聚合物薄膜中的DMIT类配合物含量的增加，传输损耗线性增长。 实验证明，DMTT类材料具有高的三阶非线性极化率、快的响应时间和低的光传输损耗，是一类很有潜力的三阶非线性光学材料。

目录

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

摘要

符号说明

第一章绪论

1.1材料三阶非线性光学性能研究的意义

1.2三阶非线性光学材料的应用

1.2.1全光开关方面的应用

1.2.2光限幅器件方面的应用

1.2.3激光脉宽压缩方面的应用

1.3本论文主要内容

第二章三阶非线性光学原理和三阶非线性光学材料研究概述

2.1非线性光学原理

2.1.1非线性光学介质的极化

2.1.2非线性极化率

2.1.3三阶非线性光学效应

2.1.4非线性折射率

2.1.5非线性吸收

2.2三阶非线性光学材料概述

第三章几种DMIT类配合物材料的三阶非线性光学性能研究

3.1测量材料三阶非线性光学参数的方法概述

3.2单光束Z扫描方法原理

3.2.1不考虑非线性吸收时的情况

3.2.2考虑非线性吸收时的情况

3.3532nm波长、皮秒脉宽下几种DMIT类材料的三阶非线性光学性能研究

3.3.1 DMIT类材料的三阶非线性光学性能研究概况

3.3.2实验装置

3.3.3几种DMIT类材料三阶非线性光学性能的研究

3.3.4测量误差的简单讨论

3.4影响材料三阶非线性光学特性几种因素的研究

3.4.1不同分子结构对材料三阶非线性光学性能的影响

3.4.2不同测试激光波长对材料三阶非线性光学性能的影响

3.4.3不同测试激光脉宽对材料三阶非线性光学性能的影响

3.5本章小结

第四章几种DMIT类配合物光传输特性的研究

4.1 DMIT类复合聚合物薄膜的制备及其透光率光谱

4.2 DMIT类材料复合聚合物薄膜光传输损耗的研究

4.2.1概述

4.2.2视频摄像技术测量原理

4.2.3实验装置及传输损耗的测量

4.2.4实验结果及其讨论

4.3 DMIT类复合聚合物薄膜折射率的研究

4.3.1准波导测量原理

4.3.2 DMIT类复合聚合物薄膜折射率的测量

4.4本章小结

第五章总结

参考文献

致谢

攻读博士期间已发表和已接收的文章

附已发表外文两篇

发表论文一

发表论文二