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适用于全光开关的几种DMIT类配合物材料的三阶非线性光学性质探索研究

作　者: 孙晶
导　师: 许东；任诠；王新强
学　校: 山东大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 全光开关 DMIT配合物 三阶非线性光学性质 Z扫描方法
分类号: O437
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


现代社会已进入光信息化时代,人们对信息的需求也在急剧增加。在目前使用的光纤通信系统中,由于在信号转换方面存在着较多的光—电、电—光转换器件,大大影响了信息的快速传输,造成了通信系统中的“信息瓶颈”。为了解决这个问题,采用具有超快响应速度的全光开关构建全光网络成为必然。全光开关通常都基于非线性光学原理工作,其中非线性折射型全光开关,主要利用了材料的三阶非线性折射特性,即通过一束控制光引起材料折射率的变化,使得信号光在其中通过时产生相位的变化,从而实现光开关的开关动作。评定材料是否适用于全光开关有两个品质因子:W=n2I/α0λ和T=βλ/n2,其中n2为非线性光学折射率,I为测试光强,α0为线性吸收系数,λ为测试波长,β为非线性吸收系数,材料必须满足|W|>>1且|T|<<1才能用于全光开关。因此这类全光开关对材料性能的基本要求是:1、在工作波段有大的三阶非线性折射率,从而可使用光功率密度较低的控制光,降低对器件造成的损伤;2、在工作波段具有小的线性和非线性吸收,进而降低信息传输损耗,减小热效应的影响,提高开关速度,增强系统可靠性和稳定性;3、具有超快的非线性光学响应速度,实现与全光网络的匹配;4、具有稳定的物理化学性质,易于与基质材料复合并可进行波导器件的制备。国际上关于全光开关器件的研究,既包括技术和结构方面的创新与改进,也包括新的作用机理和材料方面的寻找和探索。由于目前还没有找到性能全面优异理想的适用于全光开关器件研制的非线性光学材料,因而,全光开关仍未进入实用化,探索新型的具有优良三阶非线性光学性能、高品质因子的非线性光学材料还是目前国际上最主要的任务。本课题组一直致力于寻找适用于全光开关的三阶非线性光学材料,通过对大量材料设计与实验研究发现,过渡金属的DMIT类材料具有大的平面共轭结构,易发生极化和电荷转移,金属和有机体系之间的电荷转移可以进一步增强材料的三阶非线性光学性质。同时还注意到该类材料分子中的阴离子是富含硫的离子基团,硫原子通过S…S相互作用,可在分子间形成有效的轨道重叠,使得材料的介电常数小,电子迁移率高,响应速度快,在全光开关的应用上有潜在价值。由于全光开关要求材料具有大的非线性折射和小的非线性吸收,如何从影响材料非线性光学性质的众多因素中寻找规律,进一步提高材料的三阶非线性折射率,降低线性及非线性吸收就显得尤为重要。本论文在前期工作基础上,集中选择了具有较小非线性吸收的Cu（dmit）2和Au（dmit）2系列材料为研究对象,采用Z扫描方法分别对材料在溶液和薄膜中的三阶非线性光学性质进行了较系统的性能研究,从内部机理探讨了影响材料非线性折射和非线性吸收的各项因素,其目的是为了寻找到提高材料的三阶非线性折射率,降低非线性吸收的方法,为材料的器件化提供理论依据。本论文研究工作主要体现在如下几个方面:第一,研究了Cu和Au的一系列DMIT类配合物材料中,中心金属离子及外部阳离子对材料非线性折射率和非线性吸收的影响,发现其三阶非线性光学性质与中心金属离子及结构密切相关。我们发现Cu（dmit）2和Au（dmit）2在全光通信波段（1.3～1.6μm）具有较小的线性及非线性吸收,因此,本论文选择了Cu（dmit）2及Au（dmit）2作为全光开关研究的候选对象,其中,TPPPADTA、TPEPADT、TPPPADT等为国际上首次报道的新型光学材料。采用Z扫描方法分别对Cu和Au的DMIT类材料的三阶非线性光学特性进行系统的研究,得到了材料的三阶非线性极化率、非线性折射率、非线性吸收系数、双光子吸收截面和激发态吸收截面等性能参数,并结合测试样品的浓度计算得到了材料的分子二阶超极化率。通过对材料性质的深入研究发现,获得了一些重要的研究结果:A.DMIT配合物材料的非线性折射性质,与中心金属离子有密切关系。具有相同金属离子的材料表现出相同的非线性折射性质,在1064 nm处,浓度为1×10-3mol/L的Cu（dmit）2/乙腈材料均表现出自散焦效应。B.中心金属离子对材料的非线性吸收也有很大影响。具有相同外部阳离子和浓度的TMACDT与TMAADT材料,在1064 nm处,TMACDT表现出双光子吸收,而TMAADT的非线性吸收很弱,基本没有测到。C.在同一中心离子形成的配合物中,体积较小的阳离子对材料的三阶非线性折射或非线性吸收有增强的趋势。在Cu（dmit）2和Au（dmit）2材料中,均是具有最小阳离子的材料TMACDT和TMAADT的非线性折射率最大。这些结果说明金属形成的配位阴离子是导致材料具有非线性光学性质的主要原因,选择具有较小阳离子的非线性光学材料有可能获得更好的三阶非线性光学性质。第二,研究了各项外部因素（激光的脉宽、波长、样品浓度等）对DMIT配合物的三阶非线性折射和非线性吸收的影响,发现在材料共振及近共振区测得的非线性吸收较大;使用较长脉宽光源测得的材料的非线性光学系数更大;材料的非线性光学效应随溶液浓度的增大而增强。采用Z扫描方法分别在1064 nm和532 nm的脉冲照射条件下对Cu和Au的DMIT类材料的三阶非线性光学特性进行比较,我们发现:A.同种材料在测试波长位于材料共振及近共振区时,测得的非线性吸收比较强,其三阶非线性光学效应也更强。在532 nm处,1×10-3mol/L的Cu（dmit）2/乙腈溶液的非线性吸收系数为10-12 m/W,而在1064 nm处,相同材料的非线性吸收系数为10-13 m/W,比532 nm处小一个数量级,这是由于532 nm位于Cu（dmit）2材料的共振区,其线性吸收较大,也更易于发生非线性吸收。B.同种材料在不同脉宽条件下测得的非线性光学性质也不尽相同,TMACDT在皮秒脉宽激光作用下是双光子吸收,而在纳秒脉宽激光作用下则表现为反饱和吸收,运用五能级模型对出现这种差异的原因进行了分析,表明材料在皮秒脉冲作用下的非线性产生机制归因于单重态激发态的态态跃迁,而在纳秒条件下则主要是由于三重态激发态的态态跃迁导致的。由于材料非线性光学效应的产生机制不同,导致采用脉宽较长的光源时,得到的计算结果要相对大一些。C.通过对1064 nm,20 ps条件下,1×10-3mol/L的Cu（dmit）2/乙腈溶液及同浓度的Au（dmit）2/乙腈溶液的三阶非线性光学性质研究,发现Cu（dmit）2/乙腈溶液的三阶非线性折射率一般为10-13～10-12esu,但是其非线性吸收比较大,而相同浓度的Au（dmit）2配合物表现出了高的非共振三阶非线性光学效应,其中TMAADT的非线性折射率为-4.11×10-12esu,未测到非线性吸收,进一步计算得到TMAADT的品质因子|W|值为2.87,|T|值约为0,基本满足全光开关对材料品质因子W=n2I/α0λ,和T=βλ/n2（且|W|>>1,|T|<<1）的要求。第三,采用溶胶—凝胶法将金属DMIT配合物制备成复合薄膜,用Z扫描方法研究了薄膜状态下材料的非线性光学性质变化,以及掺杂浓度等条件对Au（dmit）2/PMMA复合薄膜的非线性折射及非线性吸收的影响,获得了比较理想的实验结果。A.发现Au（dmit）2/PMMA复合薄膜可以很好满足全光开关对材料品质因子的要求。在1064 nm,20 ps条件下,对Au（dmit）2/PMMA复合薄膜材料的品质因子计算发现|W|比溶液中的要高2个数量级,而由于未测到非线性吸收,因此可认为|T|近似为0,完全满足全光开关对材料品质因子|W|>>1,|T|<<1的要求。B.掺杂浓度为1%的Au（dmit）2薄膜的三阶非线性光学系数相对于1×10-3mol/LAu（dmit）2/乙腈溶液的要强2个数量级,Au（dmit）2/PMMA复合薄膜的三阶非线性折射率可达到10-10 esu,未测到非线性吸收。改变薄膜中的掺杂浓度,也发现材料的三阶非线性光学系数随着掺杂浓度的提高而增大。证明可以通过提高薄膜中DMIT材料的掺杂浓度来提高其三阶非线性光学系数。本论文通过对Cu和Au的DMIT类材料三阶非线性光学性质的探索研究,发现这两类材料具有优良的三阶非线性光学性能,其中Au（dmit）2材料具有三阶非线性折射大、非线性吸收小和响应速度快的特点,可以满足全光开关对材料品质因子的要求,并通过制备该材料三阶非线性光学薄膜与性能测试工作,证实这一重要结果。它将为下一步波导器件制备与研究工作,提供依据和重要基础。

全文目录


摘要  10-14
ABSTRACT  14-18
符号说明  18-20
第一章 绪论  20-45
  1.1 光开关  20-24
    1.1.1 通信网络中的光开关  21-22
    1.1.2 全光开关  22-24
  1.2 Mach-Zehnder型全光开关及材料研究进展  24-32
    1.2.1 Mach-Zehnder型全光开关  24-26
    1.2.2 三阶非线性光学材料  26-32
  1.3 本项研究前期工作基础  32-36
  1.4 本论文的研究目标、总体思路及主要内容  36-37
  参考文献  37-45
第二章 材料的三阶非线性光学效应及测试表征  45-73
  2.1 三阶非线性光学原理概述  45-50
    2.1.1 非线性极化率  45-46
    2.1.2 三阶非线性折射率  46-49
    2.1.3 非线性吸收  49-50
  2.2 三阶非线性光学性能常用的几种表征方法  50-51
  2.3 Z扫描方法的理论推导  51-63
    2.3.1 无非线性吸收时的理论推导  52-59
    2.3.2 有非线性吸收时的理论推导  59-63
  2.4 Z扫描技术的发展  63-68
  2.5 本章小结  68
  参考文献  68-73
第三章 Cu、Au系列DMIT类材料溶液中的三阶非线性光学性能研究  73-101
  3.1 Z扫描实验装置及部分常用溶剂的三阶非线性光学参数的测量  73-77
    3.1.1 Z扫描实验装置  73-76
    3.1.2 部分常用溶剂的三阶非线性光学参数的测量  76-77
  3.2 Cu(dmit)_2系列配合物的Z扫描实验研究  77-91
    3.2.1 532nm,皮秒脉冲下Cu(dmit)_2系列配合物的Z扫描研究  78-83
    3.2.2 基态吸收截面和激发态吸收截面的研究  83-86
    3.2.3 1064nm,皮秒脉冲下Cu(dmit)_2系列配合物的Z扫描研究  86-89
    3.2.4 纳秒脉冲下TMACDT的Z扫描研究  89-91
  3.3 Au(dmit)_2系列配合物的Z扫描实验研究  91-95
    3.3.1 532nm,皮秒条件下Au(dmit)_2配合物的Z扫描研究  91-93
    3.3.2 1064nm,皮秒条件下TMAADT的Z扫描研究  93-95
  3.4 测量误差讨论  95
  3.5 本章小结  95-96
  参考文献  96-101
第四章 三阶非线性光学薄膜性质的研究  101-113
  4.1 金属DMIT配合物的复合薄膜的制备  101-103
    4.1.1 溶胶—凝胶法简介  101-102
    4.1.2 金属DMIT配合物的复合薄膜的制备  102-103
  4.2 Au(dmit)_2复合薄膜的性能表征  103-109
    4.2.1 显微形貌(SEM)表征  103-104
    4.2.2 薄膜厚度及线性光学性能的表征  104-105
    4.2.3 532nm,皮秒脉冲下Au(dmit)_2复合薄膜的Z扫描研究  105-107
    4.2.4 1064nm,皮秒脉冲下Au(dmit)_2复合薄膜的Z扫描研究  107-109
  4.3 掺杂浓度对材料的非线性光学性质的影响  109-111
  4.4 测量误差讨论  111
  4.5 本章小结  111-112
  参考文献  112-113
第五章 总结  113-117
  5.1 主要结论  113-114
  5.2 本论文的主要创新点  114-115
  5.3 下一步的主要工作和展望  115-117
致谢  117-119
攻读学位期间发表文章及所获奖励  119-121
附已发表外文论文两篇  121-133
学位论文评阅及答辩情况表  133

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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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