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二硫化碳等几种非线性材料的飞秒光学非线性研究

作　者: 孔德贵
导　师: 宋瑛林；叶红安
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 光学
关键词: 三阶效应 五阶效应 双光子吸收 激发态吸收 非线性响应
分类号: O437
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着激光技术的不断发展,超短激光脉冲被用于很多领域。在非线性光学方面,超短激光脉冲因其高的峰值强度和良好的时间分辨本领广泛用于研究各种材料的非线性光学性质。简单液体、金属酞菁及半导体材料三种典型材料在非线性光学研究领域具有巨大的潜在应用价值。通过研究简单液体分子在超短脉冲作用下的非线性光学特性使人们了解到了超短激光脉冲与简单液体分子相互作用时的微观机制,探索简单液体分子中电子、分子内运动及分子间运动等动力学过程。通过研究金属酞菁材料及半导体材料在超短脉冲作用下的非线性光学特性为其在实际应用中提供理论基础,同时也指导材料的合成。本文用飞秒激光脉冲通过Z-scan技术、光学克尔效应技术和泵浦探测技术研究了二硫化碳、二甲基亚砜、金属酞菁ZnPc（OBu）6（NCS）及ZnSe晶体的非线性光学特性,并对实验结果进行解释。取得的主要创新成果如下:在低光强作用下,CS2的光学非线性仅来源于三阶非线性效应,当光强增大到某一阈值时,三阶非线性效应和五阶非线性效应将同时出现。通过在不同光强下的Z-scan实验我们获得了三阶非线性折射率、五阶非线性折射率以及出现五阶效应的阈值。在800 nm波长下CS2表现为三光子吸收,拟合实验结果获得了三光子吸收系数。CS2在130 fs半高全宽激光脉冲作用下非线性响应包括寿命为160 fs的快弛豫成分和寿命为1.6 ps的慢弛豫成分。在400 nm波长作用下CS2的非线性吸收来源于双光子吸收及其诱导的激发态吸收。通过理论拟合实验结果得到了CS2的双光子吸收系数、激发态吸收截面以及激发态寿命。二甲基亚砜（DMSO）在130 fs半高全宽激光脉宽作用下的非线性响应几乎完全来自于电子的贡献,分子内运动和分子间运动的贡献可以忽略。用CS2作为参考样品,测量得到了DMSO的三阶非线性极化率幅值约为CS2的四分之一,而且主要来自于非线性折射的贡献,即三阶非线性极化率的实部。基于DMSO在超短脉冲作用下的瞬时响应,可以用DMSO作为非线性介质通过光学克尔效应方法测量超短激光脉冲宽度。通过自相关仪及光谱分析我们证明了在800 nm波长和400 nm波长下的测量结果是准确可以信的。用DMSO作为非线性介质通过光学克尔效应方法测量超短激光脉冲宽度其优点是适用的光谱范围宽,而且超短激光脉冲在DMSO中传输产生的群速色散非常小。金属酞菁ZnPc（OBu）6（NCS）在超短脉冲作用下表现为饱和吸收和自聚焦效应。该分子在超短脉冲下的响应包括三部分贡献:电子的瞬时响应、一个快的弛豫成分和一个慢的弛豫成分。通过三能级模型和泵浦探测实验,我们证明了快的弛豫成分是来自高激发态上粒子的贡献,高激发态上的粒子寿命为850 fs;慢的弛豫成分来自低激发态粒子的贡献,低激发态上的粒子寿命为几个皮秒。金属酞菁ZnPc（OBu）6（NCS）具有大的二阶超极化率,其幅值比C60分子高三个数量级。在130 fs脉宽800 nm波长脉冲的作用下,ZnSe晶体的非线性折射来自于束缚电子的自聚焦效应;非线性吸收主要来自于束缚电子引起的带间的双光子吸收及双光子吸收诱导的导带内电子的单光子吸收,但是导带内电子的单光子吸收相比较于束缚电子的双光子吸收小很多。通过泵浦探测实验我们测得ZnSe晶体中通过双光子吸收跃迁到导带低能态上的粒子弛豫到导带底的时间为250 fs。因此,通过Z-scan技术测量得到的ZnSe晶体的非线性吸收和折射不包含载流子的贡献,完全来自于束缚电子的作用。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-13
第1章 绪论  13-26
  1.1 非线性光学现象  14-15
  1.2 简单液体的光学非线性研究概述  15-19
  1.3 金属酞菁材料的光学非线性研究概述  19-24
  1.4 本论文的研究目的和意义  24-25
  1.5 本论文的主要研究内容  25-26
第2章 飞秒激光系统与实验技术  26-40
  2.1 飞秒激光系统  26-28
  2.2 飞秒激光脉冲基本参数的测量  28-32
    2.2.1 飞秒激光脉冲宽度的测量  28-31
    2.2.2 飞秒激光脉冲束腰半径的测量  31-32
  2.3 光学非线性测量技术  32-39
    2.3.1 Z-scan 技术  32-36
    2.3.2 光学克尔效应技术  36-38
    2.3.3 泵浦探测技术  38-39
  2.4 本章小结  39-40
第3章 二硫化碳的超快非线性光学特性  40-55
  3.1 引言  40
  3.2 800 nm波长下CS_2的三阶和五阶光学非线性  40-48
  3.3 400 nm波长下CS_2的非线性吸收  48-54
  3.4 本章小结  54-55
第4章 二甲基亚砜的超快非线性光学特性  55-66
  4.1 引言  55
  4.2 DMSO在超短脉冲下的非线性光学响应  55-59
  4.3 用DMSO通过光学克尔效应方法测量超短激光脉宽  59-64
  4.4 本章小结  64-66
第5章 金属酞菁ZnPc(OBu)_6(NCS)的超快非线性光学特性  66-77
  5.1 引言  66
  5.2 金属酞菁ZnPc(OBu)_6(NCS)的饱和吸收效应  66-72
  5.3 金属酞菁ZnPc(OBu)_6(NCS)在超短脉冲下的非线性光学响应  72-76
  5.4 本章小结  76-77
第6章 ZnSe晶体的超快非线性光学特性  77-86
  6.1 引言  77
  6.2 ZnSe晶体中的非线性吸收和折射性质  77-81
  6.3 ZnSe晶体在超短脉冲下的非线性光学响应  81-85
  6.4 本章小结  85-86
结论  86-88
参考文献  88-101
攻读博士学位期间所发表的学术论文  101-103
致谢  103-105
个人简历  105

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 光学 > 非线性光学（强光与物质的作用）
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