有機聚合物薄膜非線性光學特性研究.pdf

1、本文對聚合物薄膜非線性光學性質(zhì)進行了理論和實驗上的研究，主要針對二階和三階非線性光學效應進行了實驗研究。提出了一些新的器件模型，并在實驗中得到驗證。 1.本文描述了有機聚合物薄膜二階非線性效應的機理，介紹了有機聚合物薄膜極化的物理機制以及各種電場極化技術(shù)。以被廣泛采用的聚甲基丙烯酸甲酯摻雜分散紅1(DR1/PMMA)主客摻雜型為對象做了大量實驗。研究表明如果聚合物薄膜預烘時間不足，則極化時二次諧波強度很弱，同時極化條件不同對二次

2、諧波強度的也有很大影響。在實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上討論了其成因以及理論解釋結(jié)果，大致給出了最優(yōu)化極化條件。同時，提出了一種判定溶劑是否揮發(fā)完全的方法，就是觀察樣品的極化溫度是否達到最佳值。如果小于最佳值，則表明溶劑還未揮發(fā)完全，得到的非線性系數(shù)也不是最大的。反之，就可以認為達到了最佳極化條件。同時，利用馬克條紋法首次模擬了聚合物薄膜厚度和入射角度對二次諧波強度的影響。實驗上觀察到二次諧波信號隨著聚合物薄膜厚度和入射角度變化同理論相符合。

3、 2.在本文中，我們較詳細地研究了產(chǎn)生切倫科夫(Cerenkov)輻射的各種情況，包括波導層是非線性介質(zhì)和襯底(或覆蓋層)是非線性介質(zhì)兩種大的分類，并給出了最終的Cerenkov轉(zhuǎn)化效率計算公式。另外，我們對產(chǎn)生Cerenkov輻射的最佳條件也進行了研究，得到了定量的結(jié)果，為這種器件的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。導模的有效折射率理論計算表明，由于導模模式寬度的存在，聚合物波導中的基頻光低階導模的有效折射率有可能與諧波光高階模的有效折射率相匹配，

4、這時導模能量將轉(zhuǎn)化到輻射模中，可以達到很大的轉(zhuǎn)換效率。對聚合物而言，由于固有的傳輸損耗大的缺點，導致了聚合物在實驗中無法在傳輸型器件結(jié)構(gòu)中獲得很高的轉(zhuǎn)化效率。同時，傳統(tǒng)的端面耦合、光柵耦合和棱鏡耦合技術(shù)也對實際中改善轉(zhuǎn)化效率沒有很大的提高。 3.在本文中，我們通過調(diào)節(jié)導波層的厚度和折射率，對產(chǎn)生Cerenkov輻射的條件進行了優(yōu)化，達到了實現(xiàn)基頻低階導模和諧波高階導模相匹配的條件。同時從實驗上，給出了一種新型的產(chǎn)生Cerenko

5、v輻射的結(jié)構(gòu)。我們在實驗上得到了很大的轉(zhuǎn)換效率1.6﹪W-1cm-1，這是迄今為止用聚合物作為介質(zhì)得到的最大的轉(zhuǎn)換效率。同時，我們利用色散曲線對產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)化效率的條件進行了理論解釋。本文中提出的結(jié)構(gòu)將耦合層、波導層都集成化在一個器件(棱鏡)上，去掉了傳統(tǒng)棱鏡耦合方式需要機械裝置輔助的缺點。同時，這種器件利用反射型原理使產(chǎn)生的Cerenkov輻射從棱鏡的端面直接輻射出去，減少了Cerenkov輻射在襯底和波導層中多次反射產(chǎn)生損耗的影響，

6、將聚合物傳輸損耗的影響降到了最小，從而大大提高了這種器件的實際應用能力。這種器件具有的這些特點，對該領(lǐng)域的發(fā)展具有一定的參考意義。 4.本文提出了一種新的計算極化聚合物薄膜非線性系數(shù)的方法。已有的理論已經(jīng)證明，由表面等離子體波激發(fā)的二次諧波強度會比背景二次諧波光強度高四個數(shù)量級，這為我們進行二次諧波光強探測提供了方便。利用已有的電子氣模型理論，我們推導得到了相應的計算公式，并且計算了不同種類聚合物對應的非線性系數(shù)。通過探測由表面

7、等離子體波激發(fā)的二次諧波的光強，同時探測由石英樣品在相同的實驗條件下產(chǎn)生的二次諧波的強度，利用我們推導得到的公式，就可以完成對極化聚合物非線性系數(shù)的計算。這種計算方法有實驗裝置簡單，計算方便，能夠得到定量的非線性系數(shù)值的優(yōu)點。 5.本文提出了一種能夠?qū)崟r檢測光漂白過程中非線性系數(shù)變化的方法。雖然在光漂白過程中聚合物的厚度、折射率和非線性系數(shù)都會發(fā)生變化，但是表面等離子體波的耦合效率與聚合物的厚度變化沒有關(guān)系，而且在聚合物的折射率

8、變化不大的范圍內(nèi)(小于0.23)，產(chǎn)生表面等離子體波的耦合效率也基本不變化，從而為我們利用探測表面等離子體波激發(fā)的二次諧波強度的方法來檢測光漂白過程提供了一個方法。我們利用探測表面等離子體波激發(fā)的二次諧波強度的方法實時監(jiān)測了側(cè)鏈型和交聯(lián)型兩種聚合物的實時漂白過程，同時利用我們提出的方法計算了漂白前后不同種類的聚合物非線性系數(shù)的變化。 6.本文利用已有的理論知識，對表面等離子體波激發(fā)的二次諧波的優(yōu)化條件進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，最大的

9、二次諧波強度與聚合物的非線性系數(shù)、耦合層金屬膜的厚度和棱鏡的折射率都有關(guān)系。并且，影響最大且最容易控制的是前兩項因素。 7.本文還對聚合物的三階非線性效應進行了比較全面的論述，利用聚合物的三階非線性效應，實驗研究了一種新型的集成化的多路皮秒全光開關(guān)器件。這種裝置將耦合層和波導層集成在棱鏡的底面上，將強激光耦合進波導層，利用波導的能量積聚效應，產(chǎn)生光學克爾效應，引起波導層小范圍內(nèi)的折射率的變化。同時，用另外一束連續(xù)激光耦合進波導層