激光與有機(jī)分子材料的非線性相互作用.pdf

1、本論文主要進(jìn)行了兩方面的研究工作:一方面是應(yīng)用現(xiàn)代量子化學(xué)方法理論研究了一系列有機(jī)分子的非線性光學(xué)性質(zhì),著重研究了雙光子吸收截面和溶劑效應(yīng);另一方面是采用時(shí)域有限差分法與預(yù)估校正運(yùn)算法則數(shù)值求解Maxwell-Bloch方程,模擬了超短脈沖激光在有機(jī)分子材料中的共振傳播過程.主要內(nèi)容和結(jié)果如下. 1.在Hartree-Fock水平上,利用解析響應(yīng)函數(shù)方法,研究了1,4-二甲氧基-2,5-二乙烯基苯系列衍生物分子的單光子和雙光子吸

2、收特性.研究結(jié)果表明該系列分子具有較強(qiáng)的雙光子吸收特性.在低能量范圍內(nèi),對(duì)于D-π-A型分子,分子的單光子吸收強(qiáng)度和雙光子吸收截面最大值都發(fā)生在分子的第一激發(fā)態(tài).對(duì)于D-π-D型分子,單光子吸收強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在分子的第一激發(fā)態(tài),而最大雙光子吸收值則對(duì)應(yīng)于分子的第二激發(fā)態(tài).分子的單和雙光子吸收強(qiáng)度和分子官能團(tuán)的電性有關(guān).對(duì)于由該類π中心部分構(gòu)成的分子,其對(duì)稱型不一定比不對(duì)稱型更有利于提高雙光子吸收截面.分子基態(tài)與電荷轉(zhuǎn)移態(tài)的電荷轉(zhuǎn)移過程從

3、理論上定性地解釋了雙光子聚合反應(yīng)的聚合機(jī)理. 2.理論計(jì)算了溶劑效應(yīng)對(duì)一類可溶于水的聯(lián)苯乙烯分子的雙光子吸收特性的影響.對(duì)于對(duì)稱分子,計(jì)算結(jié)果表明溶劑極性對(duì)分子的結(jié)構(gòu)和單光子吸收的影響很小,但是雙光子吸收性質(zhì)卻顯示了很強(qiáng)的溶劑效應(yīng).并且,單光子吸收和雙光子吸收特性對(duì)分子的結(jié)構(gòu)十分敏感,雙光子吸收強(qiáng)度通過構(gòu)型扭轉(zhuǎn)會(huì)顯著減弱.全面的計(jì)算說明,對(duì)單個(gè)分子與溶劑相互作用性質(zhì)的計(jì)算無法解釋實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的溶劑效應(yīng).此外,我們還考慮了分子的單

4、光子電子振動(dòng)光譜,分析了振動(dòng)模式對(duì)吸收譜的影響. 3.在含時(shí)密度泛函的水平上應(yīng)用解析響應(yīng)函數(shù)方法理論計(jì)算了一類偶極分子的單體及其兩種結(jié)構(gòu)的二聚體的線性和非線性光學(xué)特性.用少態(tài)模型解釋了分子間的雙光子吸收性質(zhì)的關(guān)系.量子化學(xué)計(jì)算結(jié)果與Frenkel激子模型的結(jié)果進(jìn)行了比較,我們的計(jì)算在不依賴于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上與實(shí)驗(yàn)符合得很好. 4.應(yīng)用時(shí)域有限差分法與預(yù)估校正運(yùn)算法則,通過數(shù)值求解Maxwell-Bloch方程,模擬了飛秒

5、激光脈沖在DBASVP偶極分子中的共振傳播.在光學(xué)范圍內(nèi),該分子只有一個(gè)電荷轉(zhuǎn)移態(tài),因此分子可以簡(jiǎn)化為兩能級(jí)模型.數(shù)值模擬的結(jié)果顯示,固有偶極矩對(duì)脈沖的傳播有顯著地影響.對(duì)于2π脈沖,理想的自感應(yīng)透明現(xiàn)象消失,出現(xiàn)了明顯的二次諧波成分,其原因在于發(fā)生了雙光子吸收過程.對(duì)于6π脈沖,傳播中形成了連續(xù)譜,連續(xù)的高頻成分在時(shí)域上支持更短的465阿秒脈沖的產(chǎn)生. 5.著重分析了超連續(xù)譜的演化,發(fā)現(xiàn)脈沖的面積和脈沖的寬度都對(duì)超連續(xù)譜起到調(diào)

6、制的作用.分裂脈沖之間的相干和時(shí)間能量的不確定關(guān)系決定了連續(xù)譜的譜線形狀.同時(shí)固有偶極矩對(duì)連續(xù)譜的影響也做了分析. 6.研究了超短脈沖在兩能級(jí)偶極分子體系中的共振傳播的相位依賴性.結(jié)果發(fā)現(xiàn),載波的傳播和頻譜的演化對(duì)脈沖的初始相位非常敏感.大面積的脈沖相位依賴性更強(qiáng).由于分子的固有偶極矩可以增強(qiáng)分子的非線性光學(xué)效應(yīng),因此,偶極介質(zhì)中,相位效應(yīng)更加明顯. 本論文共分為十二章,第一章為綜述,對(duì)非線性光學(xué)現(xiàn)象做了簡(jiǎn)單的介紹,回顧

7、了非線性光學(xué)和非線性光學(xué)材料的研究進(jìn)展.并且介紹了超短脈沖激光的發(fā)展和應(yīng)用.在第二章中,介紹了近年來計(jì)算分子非線性光學(xué)性質(zhì)常用的幾種計(jì)算方法,包括態(tài)求和方法、少態(tài)模型方法、有限場(chǎng)方法以及響應(yīng)理論方法,以及研究分子的非線性光學(xué)性質(zhì)的溶劑效應(yīng)時(shí)所采用的理論模型.第三章介紹了用以計(jì)算分子電子振動(dòng)光譜的線性耦合模型.第四章詳細(xì)論述了超短脈沖激光產(chǎn)生的原理與技術(shù)和幾種重要的非線性光學(xué)現(xiàn)象.介紹了著名的面積定理和自感應(yīng)透明現(xiàn)象.第五章推導(dǎo)了Maxw