DMIT类材料三阶非线性光学性能和响应时间的研究

摘要

我们正处在一个信息社会。人们的社会和经济生活都极大依赖于信息的交流和利用。信息传输量大、传输速率高、响应速度快、抗干扰能力强、信噪比好是信息传输和数据存储等信息领域的发展趋势。光纤通信的出现大大缓解了长期以来一直困扰人们的传输速度低、信噪比差和易干扰等问题。但是在目前的光纤通信系统中，往往存在很多的光电和电光转换器件，而这些电了装置由于存在切换时间慢、时钟偏移、严重串话等缺点，而产生了光纤通信系统中的“信息瓶颈”现象。全关开关是解决这个问题的一个有效手段。全光开关的工作原理利用了材料的三阶非线性光学特性，用一束光引起材料的折射率发生变化，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。由于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，促使人们以极大的热情注目全光开关器件的研究。三阶非线性光学材料还有其它方面的应用，比如制作光限幅器件等。随着飞秒、皮秒等超快激光的出现，光束的光功率密度很容易可达到几百GW/cm<'2>，在这个强度下，人的眼睛很容易受到伤害，测试用的探测器也很容易被打坏。材料的双光子吸收、反饱和吸收等三阶非线性光学性能都可以用来制作光限幅器件。响应快、防护波段宽、限幅阈值低、透射率高的光限幅器件，能有效防护激光对人眼、传感器以及设备的损害。材料的三阶非线性光学性能还可被应用于调Q、被动锁模等超快激光产生技术方面，飞秒激光脉冲的克尔透镜锁模(Kerr Lens mode locking)技术就是利用了材料的非线性光学特性，因材料的折射率随光强而变化，使得激光器运转中的尖峰脉冲得到的增益高出连续的背景激光增益，从而实现超短激光脉冲的输出。 全光开关、光限幅等器件潜在的多方面实际应用价值，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。制作全关开关，要求非线性光学材料的三阶非线性折射要大，线性吸收和非线性吸收系数要小，响应速度要快。三阶非线性折射率大，则需要的控制光的光功率密度就不用很高，可降低费用。线性吸收和非线性吸收系数小，可降低信息传输损耗，还可以减小热效应的影响，提高系统可靠性和稳定性。而用来制作光限幅器件的材料则要求 双光子吸收和反饱和吸收效应等要大。当今，国内外科学家们正在寻找性能优 异的三阶非线性光学材料和建立并优化对新材料的三阶非线性光学特性的表征 技术，已经有了很多这方面的报道，这个课题也成为当今国内外光通信技术和 新材料探索领域内的研究热点之一。 三阶非线性光学材料性能参数的实验测试是三阶非线性光学材料性能研究 的重要手段，它不仅可以区分不同材料之间三阶非线性光学性能的差异，而且 还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，从而为 设计合成性能更加优异的新材料提供重要的指导作用，并为器件的设计提供依 据。基于这个目的，本论文主要内容有以下几个方面： 第一，本论文重点研究了金属双噻吩(DMIT)类材料。我们研究组在探索 具有高三阶非线性光学性能的新材料的过程中，先后合成了多种金属双噻吩类 的有机配合物型半导体新材料。三阶非线性光学材料是近年来非线性光学材料 领域的研究热点。研究的材料种类也很多，报道比较多且集中的材料有半导体 类、钛酸盐类、金属氧化物类和有机材料等。有机材料有很多显著的特点，如 易组合、易集成器件、可剪裁、具有低的介电常数、快的非线性光学响应时间 和较高的非共振光学极化率等，是近年来研究最广泛的一类材料。这类有机材 料一般具有π电子共轭体系，离域π电子在材料的三阶非线性光学效应中起着 重要作用。金属双噻吩是一类优良的有机金属导体材料，金属双噻吩部分在整 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，中心的金属原子可以是Au、Ni、Cu、C0等多种金属原子，dmit代表1，3 dithiol-2-thione-4，5-dithi01ate，通过替换不同的金属离子，材料的性质就 可以得到改变。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，离域π电子很容易带来大的三阶非线性光学效应。本课题组采用理论 分析和化学合成相结合的方法，探索、合成与制备了含Au等金属元素的几种 DMIT新材料，并报导了它们的单晶结构和线性吸收等性质。 第二，在实验室自行搭建了表征材料三阶非线性光学性能的实验装置，并 在仪器控制和数据采集等方面做了改进。表征材料的三阶非线性光学性能的方 法有很多，例如干涉法、三波混频、简并四波混频、椭偏法和光束畸变方法等。这些方法具有一些自身的缺点，如实验装置较复杂和不能区分非线性极化率的实部和虚部等。1989年M.Sheik-Bahae等人提出了一种新的表征材料三阶非线性折射率和非线性吸收的测量技术一Z扫描方法。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。时间分辨双色Z扫描技术还能研究材料的非线性响应时间，区分不同响应时间的非线性光学效应。本论文对Z扫描方法进行了系统地研究，给出了Z扫描方法的具体理论推导过程和常用公式；并在实验室搭建了一套皮秒Z扫描实验装置，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，大大缩短了实验时间，利用这套软件还可以设置实验时激光能量抖动的限定范围，超出了抖动限定范围的脉冲不采用，也可以设置一个工作点，对采集的脉冲数再取平均，这两点都能大大减小了实验的误差，提高了测量结果的准确性。响应时间也是表征材料性能优劣的一个重要参数，响应时间越快，器件工作性能越高。响应时间的测量主要有两种方法：条纹相机方法和飞秒分辨光克尔实验方法。条纹相机方法不能得到材料三阶非线性极化率大小的信息，只能得到三阶非线性光学性能的响应时间；而飞秒分辨光克尔实验方法不仅可以得到三阶非线性光学性能的响应时间的相关信息，还可以同时得到材料三阶非线性极化率的大小。本论文介绍了这两种方法，并采用飞秒分辨光克尔实验方法，又称为双光束Pump-Probe的方法，测量了材料的三阶非线性极化率、分子二阶超极化率和它的响应时间。 第三，本论文以DMIT类材料为研究对象，系统地对这类材料的三阶非线性折射率、非线性吸收、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、双光子吸收截面，以及材料的响应时间等性能参数进行了全面地表征。DMIT类材料由于具有高的三阶非线性光学性能，之前已有人对这类材料的某几种作了一些研究工作，但他们或是采用简并四波混频的方法，或是采用Pump-Probe方法，这些测量方法都不能区分材料三阶非线性极化率的实部和虚部，并且他们采用的测量波长有的就在近共振区，非线性吸收对三阶非线性极化率的贡献很大，不能准确地表征材料在应用时，特别是在应用于光开关时具有的三阶非线性折射率。为此，本论文利用我们研究组自行建立的Z-scan等实验装置对这类配合物的三阶非线性光学性质进行了全面、系统地研究，分别得到了这类材料的三阶非线性折射率、非线性吸收、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以及双光子吸收截面等一系列性能参数，并对三阶非线性光学性能与材料线性吸收特性、测量波长和材料结构等方面的关系进行了深入地探讨。在皮秒脉宽下，这类材料的三阶非线性极化率大约在10<'-12>esu量级，三阶非线性折射率约在10<'-11>esu量级，分子的二阶超极化率在10<'-31>esu量级。利用飞秒分辨光克尔实验方法，测得了这类材料的响应时间，约在200飞秒左右。实验证明，DMIT类材料具有高的三阶非线性极化率和快的响应时间，是一类很有潜力的功能材料。

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

第二章三阶非线性极化率和非线性光学材料研究概述

第三章Z扫描方法的公式推导和相关讨论

第四章DMIT类材料的三阶非线性光学性能研究

第五章材料响应时间的表征

第六章总结

致射

攻读博士期间发表的文章和授权专利及获得的主要奖励