偶氮、苯乙烯类材料的非线性光学和光存储特性研究

摘要

近年来,非线性光学在激光技术、光通讯、数据存储和光信息处理等方面显示出巨大的应用前景,使得寻找光学非线性大、光学响应速度快的新型材料成为了这一领域的主要课题之一。有机非线性光学材料由于其非线性光学系数大、响应波段宽、损伤阈值高、成本低和易于修饰等特点而备受关注。作为有机非线性光学材料的典型代表,偶氮、苯乙烯类材料越来越吸引科学家的兴趣。此外,这两类材料在合适的偏振光激发下,具有显著的各向异性,在光学存储方面显示出优越的应用前景。本论文主要研究了偶氮、苯乙烯类材料的非线性光学特性和光存储特性。
　　 第一章,介绍了二阶、三阶光学非线性的基本概念、应用和研究方法。着重介绍了三阶非线性光学中的多光子吸收特性,包括多光子吸收的应用、多光子吸收材料的设计、多光子吸收截面的研究方法。在本章的第二部分,介绍了偶氮、苯乙烯类材料的光致各向异性研究进展和物理机制。还介绍了这两种有机光敏感材料的偏振全息特性和研究进展。最后给出了本论文的结构和创新点。
　　 第二章,主要研究了偶氮液晶聚合物和H型偶氮小分子的非线性光学特性。研究的手段是传统的Z扫描技术。这种方法具有很多有优点,如能够同时测量材料非线性折射率、非线性吸收的大小和正负号。利用这种方法,研究了偶氮液晶聚合物薄膜与溶液在飞秒、皮秒、纳秒和连续光激发下的非线性折射和非线性吸收特性。在薄膜和溶液中,这种聚合物显示出完全不同的光学特性。对于H型偶氮小分子,研究了这种分子的反饱和吸收、激发态吸收、双光子吸收以及双光子引起的激发态吸收特性。本章还研究了激发光的偏振态和线性吸收系数对非线性光学特性的影响。
　　 第三章,研究分子结构对材料非线性光学特性的影响一直是化学合成、非线性光学领域的研究热点。本章研究了分子结构对二阶、三阶非线性光学、光致双折射特性的影响。研究结果表明,大的给电子基团和π共轭将会导致大的二阶光学非线性。定量分析了偶氮生色团以侧链的形式连接在聚合物上对三阶非线性光学特性和光致双折射特性的影响。
　　 第四章,含有纳米颗粒和有机分子的混合材料,往往具有特殊光学性质。在本章,利用化学反应方法,制备了金胶和银胶。研究了金胶和银胶的热光特性和表面等离子共振特性。首次报道了将金胶和水溶性偶氮苯分子甲基橙混合溶液的非线性折射和双光子特性。研究结果表明,将纳米金颗粒掺杂甲基橙中可以有效增强其非线性折射和双光子吸收系数,增强倍数可以分别达到14倍和42倍。利用表面荧光增强光谱,进一步证实非线性光学增强是由于表面等离子共振引起的。在本章的最后,研究了将纳米颗粒掺杂在甲基橙/聚乙烯吡咯烷酮薄膜中的光致双折射特性,研究结果表明,将金纳米颗粒惨杂在甲基橙分子系统中,可以有效增强材料的光致双折射特性。这种方法具有修饰简单、价格低廉的优点。
　　 第五章,尽管含偶氮苯材料的光存储特性得到了广泛的研究,但是这类材料的吸收光谱一般都在可见光波段,因此不适合制作蓝光存储材料。寻找高密度的光存储材料一直是科学家感兴趣的话题。本章研究了一种偶氮聚合物的光致各向异性和偏振全息特性。研究结果表明,当用偏振态相互垂直的光记录时,聚合物薄膜中形成了纯的相位光栅。这种光栅具有可同时控制光的偏振态和传播方向的优点。当利用相互平行的光进行记录时,得到了衍射效率较低的强度光栅。本章还研究了一种苯乙烯聚合物的光致各向异性和偏振全息特性。当利用相互垂直的光进行记录时,在这种聚合物中首次得到了纯的相位光栅。当利用相互平行的光进行记录时,得到了衍射效率较高的表面起伏光栅。尽管本章所研究的苯乙烯聚合物的吸收谱在可见光波段,不适合制作蓝光高密度光存储材料,但是实验结果证实苯乙烯材料确实可以用来制作偏振全息材料。由于苯乙烯材料的吸收谱可以调制到紫光波段,因此实验证实苯乙烯材料确实可用来制作高密度存储材料。
　　 第六章,同步辐射光是电子在磁场中以光速作圆周运动时产生的。同步辐射光在生物、材料、物理等各个领域得到了非常广泛的应用。同步辐射光还被誉为微光世界一把“锋利的刀”。已经证实,同步辐射光可以对SiO2对半导体材料进行快速、各向异性的刻蚀。PDMS是一种广泛应用于微流器件、生物传感器等领域的生物兼容材料。我们发现在XeF2作用下,同步辐射光可以对PDMS进行有效的刻蚀。这种方法具有刻蚀率高、各向异性刻蚀的特点。基于同步辐射刻蚀方法制备了一种新型的PDMS基的微流器件,这种器件具有特殊的单孔,不能用传统的光刻技术和钻孔技术得到。
　　 第七章本章对本论文研究内容进行了总结,并对未来的工作进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

上海交通大学博士学位论文答辩决议书

第一章 绪论

1.1 非线性光学和非线性光学材料研究概述

1.1.1 二阶非线性光学简介

1.1.2 三阶非线性光学简介

1.2.光致各向异性和偏振全息特性研究

1.2.1 偶氮、苯乙烯分子的光致顺反异构过程

1.2.2 偶氮、苯乙烯材料的偏振全息研究

1.3 本论文结构和创新点

参考文献

第二章 激发条件和分子环境对非线性光学特性的影响

1.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 材料

2.2.2 Z扫描系统

2.3 结果与讨论

2.3.1.偶氮型离子液晶的非线性光学特性研究

2.3.2 偶氮小分子材料的非线性吸收特性研究

2.3.3 偏振态对非线性折射的影响

2.3.4 线性吸收对热致非线性折射的影响

2.4 小结

参考文献

第三章 分子结构对光学非线性和光致双折射特性的影响

3.1 引言

2.2.实验部分

2.3.1 二阶非线性光学特性的测量

2.3.2 三阶非线性光学和光致双折射的测量

3.3.结果与讨论

3.3.1 分子结构对二阶非线性光学特性研究

3.3.2 分子结构对三阶非线性光学特性研究

3.3.3 分子结构对双折射的影响

3.3 小结

参考文献

第四章 金属纳米颗粒掺杂偶氮苯分子的光学非线性和光致双折射特性研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3.实验结果及讨论

4.3.1 金和银纳米胶体的热光特性研究

4.3.2 金和银纳米颗粒的增强特性研究

4.3.3 金胶的荧光特性研究

4.3.4 甲基橙掺杂金纳米颗粒光学非线性增强特性研究

4.3.5 金属纳米颗粒掺杂甲基橙分子的光致双折射增强特性研究

4.4 小结

参考文献

第五章 偶氦、苯乙烯聚合物的光致各向异性和偏振全息研究

5.1.引言

5.2 实验部分

5.2.1 双折射的测量原理

5.2.1 偏振全息的测量原理

5.3 结果与讨论

5.3.1 苯乙烯聚合物的光致各向异性和偏振全息特性研究

5.3.2 苯乙烯聚合物的光致各向异性和偏振全息特性研究

5.4 小结

参考文献

第六章 PDMS的同步辐射光修饰及其在微流器件上的应用

6.1 引言

6.2 实验部分

6.2.1 材料的制备

6.2.2 刻蚀线路和刻蚀腔

6.2.3 反应气压的控制

6.3 结果与讨论

6.4 小结

参考文献

第七章 总结与展望

7.1 本论文的工作总结

7.2 工作展望

博士期间发表和完成的论文

致谢