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基于衰减全反射技术测量线性共轭聚合物三阶非线性光学性质方法的研究

作　者: 郑湘
导　师: 曹庄琪
学　校: 上海交通大学
专　业: 光学
关键词: 衰减全反射技术线性共轭聚合物三阶非线性光学性质二次电光效应光波导
分类号: O437
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 48次
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内容摘要

本文提出了基于衰减全反射技术测量线性共轭聚合物三阶非线性光学性质的新方法,内容包括:(1)确定线性共轭聚合物在非谐振区内二次电光系数的色散;(2)测量线性共轭聚合物在非谐振区内的二阶分子超极化率γ(?ω4;ω3,ω2,ω1);(3)测量吸收区边带处共轭聚合物的二阶复分子超极化率。在二能级近似下,对于电子机制占主要贡献的线性共轭聚合物,得到了其二次电光系数s11、s12以及克尔系数K的色散表达式,这些表达式中的频率无关项是一样的。利用衰减全反射技术测量了不同波长下线性共轭聚合物二次电光系数s11的值,并利用色散表达式对实验值进行拟合,确定表达式中的频率无关项,进而确定s11、s12以及K在非谐振区内的色散。利用衰减全反射技术测量线性共轭聚合物在非谐振区内的二阶分子超极化率γ(?ω4;ω3,ω2,ω1)。在二能级近似下,二阶分子超极化率γ(?ω4;ω3,ω2,ω1)表达式中的频率无关项和频率项可以分开。通过衰减全反射技术测量了在二次电光效应下共轭聚合物的二阶分子超极化率γ(?ω;0,0,ω)。通过对不同波长下的γ(?ω;0,0,ω)实验值进行拟合,得到γ(?ω;0,0,ω)的色散以及γ(?ω4;ω3,ω2,ω1)表达式里的频率无关项,从而确定了线性共轭聚合物在整个非谐振区内的二阶分子超极化率γ(?ω4;ω3,ω2,ω1)。本文还进一步利用衰减全反射技术测量了在吸收边带处线性共轭聚合物的二阶复分子超极化率。通过利用不同衰减全反射峰上得到的实验数据,二阶复分子超极化率的实部虚部的数值以及符号都可以同时得到,而不需要引入Kramers-Kronig转换公式。与传统的表征聚合物三阶非线性光学性质的方法,例如Z扫描、四波混频等相比,衰减全反射技术不需要利用高能量的脉冲激光;而且该方法的测量灵敏度高,可以测得微小的折射率变化,因此不需要使用锁相放大技术,这大大减少了实验成本,也使实验装置变得简单。虽然ATR技术所用到的样品结构比较复杂,但是样品的制备只用到了甩膜和真空溅射这两种相对简单的制备工艺。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章综述  12-21
  1.1 非线性光学与非线性光学材料  12-13
  1.2 三阶光学非线性及其研究意义  13-15
  1.3 具有三阶非线性的有机聚合物  15-16
  1.4 常用测量聚合物三阶光学非线性性质的实验技术  16-19
    1.4.1 Z 扫描  16-18
    1.4.2 简并四波混频  18-19
  1.5 本文的内容及架构  19-21
第二章衰减全反射(ATR) 技术  21-36
  2.1 金属薄膜结构与表面等离子波  21-23
  2.2 非对称金属包覆波导结构  23-26
  2.3 对称金属包覆波导结构  26-30
  2.4 棱镜波导耦合结构  30-35
    2.4.1 ATR 谱线  31-32
    2.4.2 导波层厚度和折射率的测量  32-33
    2.4.3 导波层中的电场分布  33-35
  2.5 总结  35-36
第三章利用ATR 技术测量聚合物的二次电光效应  36-61
  3.1 电光效应  36-40
  3.2 测量聚合物二次电光系数的各种方法  40-42
    3.2.1 Mach-Zehnder 干涉仪法  40-41
    3.2.2 直接反射技术法  41-42
  3.3 二次电光效应的起源  42-44
  3.4 利用衰减全反射技术测量聚合物的二次电光系数  44-58
    3.4.1 测量原理  44-46
    3.4.2 实验用的聚合物材料—–聚芴PF6/8  46-47
    3.4.3 样品制备及相关参数测量  47-51
    3.4.4 实验装置  51-52
    3.4.5 实验数据处理方法  52-54
    3.4.6 数据处理  54-57
    3.4.7 误差分析  57-58
  3.5 存在形变贡献时聚合物二次电光系数的确定  58-60
  3.6 总结  60-61
第四章基于ATR 技术测量聚合物二次电光系数色散  61-73
  4.1 聚合物折射率的色散  61-64
    4.1.1 Sellmeier 折射率色散公式  61-62
    4.1.2 幂函数多项式  62
    4.1.3 折射率色散的多项式拟合  62-63
    4.1.4 聚合物PF6/8 折射率的色散  63-64
  4.2 二次电光系数的色散表达式  64-69
    4.2.1 线性聚合物分子的一维近似  65
    4.2.2 局域场因子  65
    4.2.3 实验室坐标系与分子坐标系的转换  65-66
    4.2.4 各向同性聚合物分子系统的取向平均  66-67
    4.2.5 三阶非线性极化率、二次电光光系数及直流克尔系数的色散表达式..  67-69
  4.3 利用ATR 技术确定聚合物二次电光系数的色散  69-71
  4.4 ATR 方法与 Mach-Zehnder 干涉仪法的比较  71-72
  4.5 总结  72-73
第五章非谐振区内聚合物的二阶分子超极化率的测量  73-88
  5.1 分子超极化率  73-77
  5.2 二能级近似下的二阶分子超极化率  77-80
  5.3 利用ATR 技术测量聚合物的二阶分子超极化率γ(-ω;0,0,ω)  80-81
  5.4 二阶分子超极化率γ(-ω;0,0,ω) 在非谐振区内的色散  81-82
  5.5 聚合物的二阶分子超极化率γ(-ω4;ω3,ω2,ω1)  82-84
  5.6 转移偶极矩的确定  84-86
    5.6.1 共轭长度的估算  85-86
    5.6.2 重复单元的转移偶极距  86
  5.7 总结  86-88
第六章聚合物的二阶复分子超极化率的测定  88-100
  6.1 测量聚合物三阶复非线性参数的方法  88-91
    6.1.1 Mach-Zehnder 干涉仪法  88-90
    6.1.2 二次电吸收(QEA) 技术  90-91
  6.2 波导结构中损耗对导模的影响  91-94
    6.2.1 导波层聚合物折射率虚部对导模的影响  91-93
    6.2.2 金属包覆层虚部对导模的影响  93-94
  6.3 利用ATR 方法测量聚合物的二阶复分子超极化率  94-97
    6.3.1 测量原理  94-96
    6.3.2 数据测量及处理  96-97
  6.4 ATR 法与 QEA 法的比较  97-99
  6.5 总结  99-100
第七章总结和展望  100-103
  7.1 本论文的主要工作  100-101
  7.2 今后工作的展望  101-103
参考文献  103-113
附录 A Maple代码：m线法测量波导层厚度和折射率  113-117
附录 B 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)  117-118
附录 C PMMA 保护层厚度的确定  118-120
附录 D 光学玻璃的折射率  120-121
致谢  121-122
攻读博士学位期间的研究成果  122-123

基于衰减全反射技术测量线性共轭聚合物三阶非线性光学性质方法的研究

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