Ⅱ-Ⅵ族無機半導體與卟啉材料的超快光學非線性研究.pdf

1、半導體材料，包括有機和無機半導體是目前備受關注的非線性光學材料，它們具有大的光學非線性和快的響應時間，在光限幅、光開關、紅外探測、光存儲等方面具有重要應用。本文以II-VI族無機化合物體半導體和有機半導體四苯基卟啉為主要研究對象，綜合利用Z-scan、時間分辨PO泵浦探測和時間分辨瞬態(tài)吸收光譜等實驗手段，結(jié)合含色散脈沖傳播方程、能級模型和熱致非線性理論，對兩種半導體材料的非線性光學性質(zhì)及相應的超快動力學進行了研究。該研究豐富半導體材料非

2、線性光學研究內(nèi)容和理論內(nèi)涵，對半導體材料在非線性光學領域的應用具有指導意義，主要研究內(nèi)容如下：
　　將實驗研究和理論分析相結(jié)合，主要針對超短脈沖在II-VI族半導體中傳播時的明顯展寬現(xiàn)象進行研究。利用PO泵浦探測實驗證明800 nm，200 fs激光脈沖在3 mm厚ZnS體半導體傳播中存在明顯的脈沖寬度展寬現(xiàn)象，這種展寬現(xiàn)象主要來源于超短脈沖在ZnS傳播過程中產(chǎn)生的群速色散效應（Group Velocity Dispersion

3、GVD）。Z-scan技術(shù)進一步證明GVD對ZnS體半導體的非線性吸收和折射特性都有不可忽略的影響，并最終影響其光學非線性參數(shù)的正確提取。因此本章從理論上構(gòu)建了考慮GVD影響的超短脈沖光強和相位傳播方程，基于該方程的數(shù)值擬合與實驗結(jié)果實現(xiàn)了很好的符合，并準確地提取了ZnS體半導體的非線性參數(shù)。另外該方程也很好地解釋飛秒脈沖在ZnSe、ZnTe和CdS半導體中傳輸因GVD而引起的展寬現(xiàn)象，充分證明了該傳播方程的正確性和普適意義。該研究對于

4、超短脈沖與體半導體以及其他固體材料非線性相互作用的研究具有指導和借鑒意義。
　　將Z-scan，皮秒泵浦探測及飛秒瞬態(tài)吸收光譜技術(shù)有機結(jié)合，研究了以四苯基卟啉TPP為母體的一系列卟啉化合物的非線性吸收特性，重點分析了氮反轉(zhuǎn)，外圍給/受體取代和中心金屬離子取代三種分子結(jié)構(gòu)改變方式對卟啉非線性吸收性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明氮反轉(zhuǎn)破壞了TPP母體分子結(jié)構(gòu)對稱性，形成的氮反轉(zhuǎn)卟啉（NCTPP）的線性吸收譜與TPP相比發(fā)生了明顯紅移，且單重態(tài)

5、第一激發(fā)態(tài)的壽命（?S1）也明顯縮短。給電子基團（Methoxy OMe）取代基卟啉TPP(OMe)4的非線性吸收在ps時域發(fā)生了飽和吸收（SA）到反飽和吸收（RSA）的轉(zhuǎn)換，TPP(OMe)4的泵浦探測和飛秒瞬態(tài)吸收光譜實驗都證明其與TPP相比具有非?？斓膬?nèi)轉(zhuǎn)換速率。Z-scan，皮秒泵浦探測及飛秒瞬態(tài)吸收光譜結(jié)果都表明吸電子基團（Cyan CN）取代基卟啉TPP(CN)4的非線性吸收和激發(fā)態(tài)動力學過程與母體TPP類似，這主要與CN中

6、較為穩(wěn)定的碳氮三鍵有關系。另外飛秒瞬態(tài)吸收光譜還表明在NCTPP大環(huán)中心引入二價過渡族金屬離子Ag2+、Zn2+、Ni2+、Cd2+和Mn2+都可以不同程度地加速激發(fā)態(tài)內(nèi)轉(zhuǎn)換速率，這種加速作用與各個過渡金屬原子d層電子組態(tài)有密切的關系，d電子組態(tài)中電子數(shù)目越少，就越有利于激發(fā)狀態(tài)下電子從卟啉轉(zhuǎn)移到金屬原子的d電子組態(tài)中，加快內(nèi)部轉(zhuǎn)換速率。該研究對新型卟啉半導體材料的開發(fā)有重要的指導意義。
　　在研究TPP及其衍生物非線性吸收性質(zhì)的

7、基礎上，用Z-scan技術(shù)研究了一系列TPP及其衍生物在皮秒和納秒時域的光學非線性折射特性，重點分析了氮反轉(zhuǎn)、給/受體外圍取代、中心金屬離子取代對相應卟啉材料非線性折射性質(zhì)的影響。結(jié)果表明給/受體取代基卟啉TPP(CN)4和TPP(OMe)4的有效非線性折射系數(shù)n2eff和二階超極化率γ在皮秒和納秒時域相對于母體TPP都有顯著增強。NCTPP的兩種中心金屬（Zn2+和Cu2+）配合物及給/受體取代基衍生物NCTPP(CN)4和NCTPP