偶氮聚合物材料的非线性光学机制手光致各向异性研究

摘要

非线性光学在近年来得到迅速的发展，其在光通讯、光信息处理、光存储和激发技术等方面展现出极大的应用前景。寻找具有巨大而快速的非线性光学响应的材料成为这一领域最重要的课题之一。偶氮材料就是具有优异非线性光学响应材料的典型代表。偶氮材料具有共轭结构，易于合成加工，具有较高的分子稳定性，而且偶氮材料在较宽波段的激光照射下，会显现出显著的光学各向异性。这使得偶氮材料不仅在非线性光学领域得到广泛研究和应用，而且可以应用于光学存储等方面。本文主要研究了偶氮聚合物材料非线性光学响应特性，重点讨论了其非线性光学机制，并对偶氮材料独特的光致各向异性进行了研究。
　　 第一章，对非线性光学和非线性光学材料进行了介绍。并对二阶、三阶非线性光学的一些应用和研究方法进行了总结和介绍。本章第二部分简述了偶氮材料的非线性光学特性和光致异构特性。第三部分列举了可以导致三阶非线性光学响应的几种物理机制，并对偶氮分子的三阶非线性机制进行了初步说明。最后，指出了本论文的结构和创新点。
　　 第二章，介绍了偶氮聚合物材料的特性，包括普通光学性质、热稳定性、溶解性等，特别对偶氮聚合物材料的非线性光学特性和光致异构特性进行了进一步阐释。然后对研究非线性光学特性的z扫描方法，特别是表征光致异构特性的光致二向色性和光致双折射的实验方法进行了论述。
　　 第三章，对测量材料三阶非线性最常用的方法-Z扫描方法，进行了理论和实验方法介绍，对Z扫描近年来的理论和应用进展进行了梳理回顾。并基于这些新的方法进展，利用衍射理论模型对近top-hat光束的z扫描方法进行了理论推导和计算讨论。然后，对我们实验室的脉冲激光Z扫描系统的搭建，包括设计思路，Labview编程设计等进行了简要的叙述，并使用标准样品CS2对我们的实验系统进行了验证。
　　 第四章，对三种材料：树枝状含偶氮液晶分子、一系列不同侧链链长的偶氮液晶分子以及一系列含有不同取代基团的偶氮聚合物分子的三阶非线性光学特性进行了研究。使用不同激发光源条件(不同激光脉冲宽度和不同波长)，以及不同分子环境(溶液、薄膜两种状态)，对其三阶非线性光学特性以及非线性来源的物理机制进行了研究。对较长脉冲下的热致非线性进行了计算，特别对跟分子结构有关的非共振电子效应导致的非线性进行了详细分析，指出生色团密度、生色团聚集态、生色团所在链长、取代基等因素对线性吸收谱以及三阶非线性的影响，并对偶氮分子特有的顺反异构导致的光学非线性进行了初步讨论。
　　 第五章进一步详细研究了偶氮分子顺反异构导致的光致各向异性。首先选用甲基橙掺杂PVA薄膜，用不同偏振态的激发光源，研究了其三阶非线性折射特性，指出不同偏振态会影响其顺反异构循环，导致光致取向效应的差异，最终影响三阶非线性折射指数。然后选用一种离子型偶氮液晶分子薄膜，对其表征光致各向异性的另外两个参数：光致二向色性和光致双折射进行了研究和分析。特别指出了这种偶氮分子光致双折射对泵浦光强度的响应和在关闭泵浦光之后的反向弛豫特性。我们还选用之前的树枝状偶氮液晶分子，用皮秒和连续两种激发光源，对其双折射特性进行了研究和对比。
　　 第六章首先，为了进一步研究π共轭聚合物材料的三阶非线性响应和机制，本文选用了一系列的聚噻吩样品进行了研究。结果表明π共轭键的强度、π共轭密度、分子对称性、π共轭键的链长以及D-π-A结构链上不同的取代基，对于三阶非线折射的大小都有影响。然后，金属纳米颗粒掺杂在偶氮分子材料中可以导致非线性响应的增强。为了更深入探究金属纳米颗粒增强机制，本章对银纳米颗粒水溶液的三阶非线性特性和荧光特性进行了研究。不同波长下激发的荧光特性的实验结果表明纳米颗粒的尺度、结构等会对荧光特性有直接影响。银纳米颗粒的三阶非线性测量不仅表明银纳米颗粒会有较强的非线性折射率，而且还表现出了反饱和吸收特性。光限幅实验说明了其良好的光限幅特性和应用前景。通过对光限幅曲线的拟合，我们将这种反饱和吸收特性归因于双光子吸收。