幾種DMIT類金屬有機(jī)配合物的三階非線性光學(xué)性能和光傳輸特性的研究.pdf

1、在目前的通信網(wǎng)中存在光電和電光轉(zhuǎn)換器件，而這些電子裝置切換時間慢、時鐘發(fā)生偏移，以致于產(chǎn)生了光纖通信系統(tǒng)中的“信息瓶頸”現(xiàn)象。全光開關(guān)可以突破限制電、聲、熱、機(jī)械等光開關(guān)單道傳輸速率的極限，是解決這個問題的一個有效手段。相位型全光開關(guān)主要利用材料的三階非線性光學(xué)效應(yīng)，用一束控制光引起材料的折射率變化，信號光在其中通過時就會帶來相位的變化，從而實現(xiàn)光開關(guān)的開關(guān)動作。其非線性相移與(2π/λ)n<,2>IL成比例，I是光強(qiáng)，L是光波相互作用

2、長度，n<,2>為非線性折射系數(shù)。全光開關(guān)的交換速度、能耗、對光偏振態(tài)的敏感性、插入損耗等性能，皆取決于用于器件制備的三階非線性光學(xué)材料。目前人們以極大的熱情關(guān)注適于制作全光開關(guān)的材料的探索和研究，基于不同種類的新材料不斷涌現(xiàn)。 三階非線性光學(xué)材料還有其它方面的應(yīng)用，包括光限幅器件、調(diào)Q、被動鎖模、光計算、光存儲等。隨著飛秒、皮秒等超快激光的出現(xiàn)，應(yīng)用于軍事上的激光武器在光電對抗、防空和戰(zhàn)略防御中發(fā)揮著獨特的作用。激光致盲可使人

3、眼暫時或永久失明，激光也可以摧毀衛(wèi)星上的探測器和傳感器等重要器件。同時，相應(yīng)的對抗措施已引起許多國家的高度重視，激光防護(hù)材料和激光防護(hù)器件也成為了當(dāng)今的一個熱門課題。激光防護(hù)的目的就是保護(hù)人員和設(shè)備等免受高能激光的損害。這些光限幅器件主要是基于材料的三階非線性光學(xué)性能，包括自聚焦和自散焦、雙光子吸收、反飽和吸收和非線性散射等效應(yīng)。相比于早期的激光防護(hù)器件，它具有響應(yīng)快、防護(hù)波段寬、限幅閾值低、損傷閾值高和線性透過率高等優(yōu)點。材料的三階非

4、線性光學(xué)性能還可應(yīng)用于激光脈沖的壓縮(調(diào)Q和鎖模)、整形及光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)研究等方面。 三階非線性光學(xué)材料所具有潛在的多方面激動人心的實際應(yīng)用價值，迫使科學(xué)家們不斷探索、尋求具有高三階非線性光學(xué)性能的新材料。可用于全光信息處理和超高速全光開關(guān)的材料需要滿足以下條件：材料的非線性折射率要大、線性吸收和非線性吸收系數(shù)要小、響應(yīng)速度要快、光傳輸損耗要低?；趯嵱没骷Σ牧系囊螅覀冋n題組進(jìn)行了一系列新材料的探索，全面系統(tǒng)地研究了這些新材

5、料的三階非線性光學(xué)性能，并研究了三階非線性光學(xué)材料復(fù)合聚合物薄膜的光傳輸特性。 在探索性能優(yōu)異的新型非線性光學(xué)材料的過程中，建立并優(yōu)化對材料的三階非線性光學(xué)全面性能的表征技術(shù)是至關(guān)重要的，它可以從內(nèi)在機(jī)制方面揭示材料具有三階非線性光學(xué)性能的根本原因，為新材料設(shè)計的優(yōu)化和性能的改進(jìn)提供重要的指導(dǎo)作用，同時為器件的設(shè)計提供可靠的依據(jù)。 本論文主要內(nèi)容有以下幾個方面： 一、探索并合成了一系列金屬有機(jī)配合物金屬雙噻吩(D

6、MIT,DMF[’代表1，3dithiol-2-thione-4，5-dithiolate)類材料，如BPAu、EtCu、EtCd等為新型光學(xué)材料，對它們的單晶結(jié)構(gòu)和線性吸收等性質(zhì)進(jìn)行了首次報道。 近年來，隨著皮秒和飛秒等超快、高功率激光器的出現(xiàn)，三階非線性光學(xué)材料逐漸成為非線性光學(xué)研究領(lǐng)域的熱點。三階非線性光學(xué)效應(yīng)不需要材料具有對稱中心，因而幾乎存在于所有的光學(xué)材料中。三階非線性光學(xué)效應(yīng)比較強(qiáng)的材料大概分為以下幾類：半導(dǎo)體類、

7、金屬氧化物類和有機(jī)材料等。有機(jī)材料有很多顯著的優(yōu)點，如易組合、可剪裁、易集成器件、具有低的介電常數(shù)、快的非線性光學(xué)響應(yīng)速度、高的激光損傷閾值、較高的非共振非線性極化率和相對低的成本等等，是近年來研究比較多的一類材料。這類有機(jī)材料一般具有萬電子共軛體系，離域萬電子在材料的三階非線性光學(xué)效應(yīng)中起著重要作用。我們課題組在探索具有高三階非線性光學(xué)性能材料的過程中，探索并合成了多種金屬有機(jī)配合物DMIF、類新材料，一類優(yōu)良的金屬有機(jī)半導(dǎo)體材料，d

8、mit(C<,3>S<,5>)部分在整個分子中是富含硫的陰離子，簡寫為Metal(dmit)<,2>，它們大多具有中心對稱的結(jié)構(gòu)，中心的金屬離子可以是Au、Cu、Cd、Ni、Co等，通過替換不同的金屬離子，材料的性質(zhì)可以改變。從這類材料的分子結(jié)構(gòu)式上可以看到，它們具有優(yōu)良的π電子共軛體系，有機(jī)體系π共軛電子與金屬離子的d軌道可通過軌道重疊，相互作用而形成更大的萬電子離域體系，而有機(jī)體系與金屬之間的電荷轉(zhuǎn)移提高了電荷轉(zhuǎn)移程度，從而增強(qiáng)了非

9、線性效應(yīng)。并且，作為有機(jī)半導(dǎo)體、超導(dǎo)體的金屬有機(jī)配合物DMIT型材料，由于具有好的導(dǎo)電性，即大的電子遷移率，還可以帶來快的非線性光學(xué)響應(yīng)。本課題組選擇金屬有機(jī)配合物作為研究方向，系統(tǒng)合成了不同中心金屬離子的二十余種DMIT類金屬有機(jī)配合物，其中BPAu、EtCu、EtCd等為新型光學(xué)材料，我們對這些新材料的單晶結(jié)構(gòu)和線性吸收等性質(zhì)進(jìn)行了首次報道。 2.搭建了一套Z-掃描實驗裝置，以金屬有機(jī)配合物DMIT類材料為研究對象，系統(tǒng)地研究了該類

10、材料的三階非線性光學(xué)性能，全面表征了材料的非線性折射率、非線性吸收系數(shù)、三階非線性極化率、分子二階超極化率、基態(tài)和激發(fā)態(tài)吸收截面等性能參數(shù)，深入研究了不同分子結(jié)構(gòu)、不同激光波長和不同脈寬等因素對材料的三階非線性光學(xué)性能的影響。 表征材料的三階非線性光學(xué)性能的方法有很多，包括干涉法、三波混頻、簡并四波混頻、橢偏法、光束畸變方法和z．掃描方法等，其中的Z-掃描方法是由M.Sheik-Bahae等人在1989年提出的一種研究材料三階非

11、線性性能的測量技術(shù)，這種方法不僅實驗裝置簡單，測量靈敏度高，并且能區(qū)分三階非線性極化率的實部和虛部，已經(jīng)成為表征材料三階非線性光學(xué)性能的最重要和最常用的方法。本論文給出了Z-掃描方法的理論和常用公式，搭建了一套Z-掃描實驗裝置，并在儀器控制和數(shù)據(jù)采集等方面做了部分改進(jìn)，用Labview軟件編寫了控制數(shù)據(jù)采集和位移平臺的測量軟件，并協(xié)調(diào)了它們的工作步驟，縮短了測量時間，可以設(shè)置實驗時激光能量抖動的范圍，也可以設(shè)置一個工作點，對采集的脈沖數(shù)

12、再取平均，測量過程中，通過延長光路，取測量光束最好的模式，可以提高Z-掃描曲線的平滑程度，通過以上的改進(jìn)，提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。利用我們研究組自行建立的Z-掃描等實驗裝置對DMIT配合物材料的三階非線性光學(xué)性能進(jìn)行了全面、系統(tǒng)地研究，分別測得它們的開孔、閉孔、閉孔/開孔Z-掃描曲線，詳細(xì)分析了Z-掃描曲線的各種形狀及其代表的意義，通過計算得到了這類材料的三階非線性折射率、非線性吸收系數(shù)、三階非線性極化率、分子二階超極化率、基態(tài)和激發(fā)態(tài)

13、吸收截面等一系列性能參數(shù)。進(jìn)一步研究了不同分子結(jié)構(gòu)、不同測試激光波長和不同脈沖激光寬度等因素對DMIT類材料的三階非線性光學(xué)性能的影響。由于材料的吸收特性而可能產(chǎn)生非線性共振增強(qiáng)，三階非線性極化率對激光波長有強(qiáng)烈的依賴關(guān)系，EtCu在皮秒脈寬激光條件下，在波長532nm表現(xiàn)出飽和吸收的特性，而在波長1062nm卻表現(xiàn)出雙光子吸收的效應(yīng)。三階非線性極化率也與測試激光的脈寬有關(guān)，不同的非線性起源，其響應(yīng)時間是不同的，因而在不同脈寬下的測試結(jié)

14、果因不同的非線性起源而結(jié)果不同，EtCd在波長532nm皮秒脈寬下表現(xiàn)出飽和吸收的非線性效應(yīng)，在納秒脈寬下卻表現(xiàn)出反飽和吸收的效應(yīng)。在波長為532nm、皮秒脈寬下，得到了BPAu、EtCu、EtCd等新材料的三階非線性光學(xué)性能參數(shù)，三階非線性折射率約在10<'11>～10<'12>esu量級，分子的二階超極化率在10<'-31>～10<'-29>esu量級。 3．研究了幾種DMIT復(fù)合聚合物薄膜的光傳輸特性，自行搭建了視頻攝像實驗裝置，

15、編寫了數(shù)據(jù)處理軟件，準(zhǔn)確地表征了DMIT復(fù)合聚合物薄膜的光傳輸損耗，并用準(zhǔn)波導(dǎo)棱鏡耦合方法，確定了薄膜的折射率。 本論文對測量復(fù)合薄膜折射率的準(zhǔn)波導(dǎo)棱鏡耦合方法進(jìn)行了詳盡的推導(dǎo)，給出了實驗和理論計算的原理和方法的具體推導(dǎo)過程，并采用準(zhǔn)波導(dǎo)棱鏡耦合方法測量了TE模式下DMIT類復(fù)合聚合物薄膜的折射率，準(zhǔn)波導(dǎo)耦合方法將折射率的測量轉(zhuǎn)化為角度測量，從而具有高的測量精度。測量復(fù)合聚合物薄膜光傳輸損耗有多種方法，其中末端耦合方法，包括雙棱

16、鏡耦合方法、三棱鏡耦合方法，對端面處理和光束準(zhǔn)直都要求很高，機(jī)械裝置比較復(fù)雜；光纖探測測量技術(shù)很難準(zhǔn)直；等差法技術(shù)對光波導(dǎo)表面和光路調(diào)整要求高，而且只能測量光波導(dǎo)表面部分點的傳輸損耗。我們選用視頻攝像技術(shù)，因其具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、非接觸測量、測量精度高、可以取得樣品任意部分的損耗數(shù)值等特點。自行搭建了實驗裝置，測量研究了幾種DMIT類復(fù)合聚合物薄膜的傳輸損耗。為了提高測量精度，在硬件方面嚴(yán)格控制復(fù)合聚合物薄膜的質(zhì)量和光路的調(diào)整，包括

17、：基片的清洗、溶液的配制、溶液的過濾、薄膜的制備、和攝像的控制等等，在采集圖像的過程中，通過加標(biāo)尺、測量前景和背景、同一角度下的多次曝光、薄膜測量區(qū)域的選擇等等措施來消除誤差；在軟件方面提高測量精度方法主要采用圖像處理的方法，并用自編的軟件處理數(shù)據(jù)。測量結(jié)果顯示，隨著復(fù)合聚合物薄膜中的DMIT類配合物含量的增加，傳輸損耗線性增長。 實驗證明，DMTT類材料具有高的三階非線性極化率、快的響應(yīng)時間和低的光傳輸損耗，是一類很有潛力的三