DMIT類金屬有機配合物復合薄膜的三階非線性光學性能研究.pdf

1、隨著光纖到戶和下一代廣播電視網(wǎng)的迅速發(fā)展,光纖通訊技術迎來了自密集波分復用以來的第二個發(fā)展高潮。用戶對網(wǎng)絡帶寬越來越高的需求,使得建設全光網(wǎng)絡日益迫切。全光網(wǎng)絡以光節(jié)點代替電節(jié)點,節(jié)點之間也是全光化,信號以光的形式進行傳輸與交換,交換機對用戶信息的處理不再按比特進行,而是通過波長選擇器件實現(xiàn)路由選擇。全光網(wǎng)絡以其良好的透明性、波長路由特性、兼容性和可擴展性,并能提供巨大的帶寬、極高的處理速度和極低的誤碼率,成為下一代通訊網(wǎng)絡的首選。

2、r>　　 全光開關作為實現(xiàn)全光網(wǎng)絡中的關鍵器件,可實現(xiàn)在全光層的路由選擇、光交叉連接以及光自愈保護等重要功能。基于M-Z型非線性折射光開關是利用材料的三階非線性光學效應,即光學克爾效應。用一束控制光引起材料的非線性折射率變化,使信號光通過時產(chǎn)生相位變化,從而實現(xiàn)光開關的開關動作。性能優(yōu)良的全光開關器件要求材料要具有大的三階非線性折射率,小的線性吸收和非線性吸收,快的響應速度等特點。隨著具有高能量和高準直性激光技術的不斷發(fā)展,開發(fā)有效的

3、激光防護器件成為激光設備應用及掌握現(xiàn)代戰(zhàn)爭主動權迫切需要解決的問題。新一代的光限幅器件,主要利用了材料的反飽和吸收、雙光子吸收等三階非線性光學效應,要求材料有高的線性透過率和高的非線性吸收系數(shù)。
　　 當前,全光開關和光限幅器等非線性光學器件的研究,使得探索新型的具有優(yōu)良三階非線性光學性能、高品質(zhì)因子的非線性光學材料日益成為材料研究領域關注的焦點。材料的線性光學和三階非線性光學性能參數(shù)的準確表征是探索、篩選、改進、研究全光開關和

4、光限幅材料的重要手段,并可以對器件的設計提供參考和依據(jù)。本課題組通過一系列的實驗研究發(fā)現(xiàn),過渡金屬的DMIT類有機配合物材料具有大的平面共軛結構,易發(fā)生極化和電荷轉移,金屬和有機體系之間的電荷轉移可以進一步增強材料的三階非線性光學性質(zhì),具有潛在的應用價值。因此,本論文對三種新型DMIT復合物聚合薄膜材料進行了系統(tǒng)的性能表征,并對影響材料三階非線性光學性能的多種因素進行了研究和分析。主要內(nèi)容如下:
　　 第一,根據(jù)全光開關和光限幅

5、器件對材料的要求,結合DMIT類材料具有平面π電子共軛結構的特點,通過改變配合物陽離子和中心金屬離子,設計合成了兩種OMIT類有機金屬材料:二(1,3-二硫雜環(huán)戊烯-2-硫酮-4,5-二硫基)合銅四正丙基銨鹽(簡稱為PrCu)、1,3-二硫雜環(huán)戊烯-2-硫酮-4,5-二硫基合金乙基三苯基膦鹽(簡稱為TPEPADT)以及一種多硫酮衍生物材料:4,5-二苯甲酰硫基-1,3-二硫雜環(huán)戊烯-2-硫酮(簡稱為BBDT)。并將以上三種材料采用旋涂法

6、和溶膠凝膠方法制備成聚合物復合薄膜。其中,PrCu和TPEPADT新材料的三階非線性光學性質(zhì)被首次報道;
　　 第二,用棱鏡耦合方法和透射光譜法對聚合物復合薄膜TPEPADT/PMMA、PrCu/PMMA以及BBDT/PMMA的線性光學性質(zhì)進行了計算和表征,得到了薄膜的折射率、吸收系數(shù)、消光系數(shù)等一系列線性光學參數(shù);運用Z掃描技術在1064 nm波長下對TPEPADT、PrCu、BBDT的溶液和薄膜的三階非線性光學性質(zhì)進行了研究

7、。通過數(shù)據(jù)擬合得到了材料的非線性折射率,非線性吸收系數(shù)和三階非線性極化率等參數(shù)。實驗結果表明,TPEPADT和PrCu材料的溶液和PMMA復合薄膜均表現(xiàn)出自散焦性質(zhì),即非線性折射率n2為負值,PrCu有輕微的雙光子吸收,而TPEPADT的非線性吸收很小;BBDT材料的乙腈溶液和PMMA復合薄膜均表現(xiàn)出自聚焦性質(zhì),即非線性折射率n2為正值,其非線性吸收可以忽略不計。探索了PrCu溶液對1053 nm激光的限幅效應,結果表明PrCu的雙光子

8、吸收效應使其在近紅外波段對激光有很好的限幅效果;探索了PrCu溶膠凝膠薄膜的三階非線性光學性質(zhì),發(fā)現(xiàn)PrCu溶膠凝膠薄膜與PrCu聚合物復合薄膜相比,非線性折射效應相差不大,而非線性吸收效應有明顯差別。
　　 第三,對影響材料三階非線性光學特性的多種因素進行了進一步研究,得到一系列研究結論:激光脈沖寬度(20 ps),重復頻率(10 Hz)時,材料的熱效應可以忽略,兩種材料的非線性折射率來源于DMIT材料離域的共軛π電子體系;T

9、PEPADT和PrCu材料由于金屬原子的引入,產(chǎn)生了金屬到配位體和配位體到金屬的電荷轉移態(tài),導致其非線性光學系數(shù)比BBDT大;PrCu在1064 nm處由于雙光子吸收,其非線性吸收效應比BBDT和TPEPADT明顯;三種材料的聚合物復合薄膜由于表面局域場增強效應,高的聚集態(tài)使其共軛程度遠大于溶液,其非線性光學系數(shù)比溶液的大;發(fā)現(xiàn)TPEPADT材料在1064 nm處具有高的離共振三階非線性光學效應,滿足全光開關對材料品質(zhì)因子W=n2I/α