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Pb、Sb纳米颗粒掺杂钠硼硅玻璃的三阶光学非线性研究

作　者: 罗洪艳
导　师: 向卫东
学　校: 温州大学
专　业: 应用化学
关键词: Pb Sb纳米颗粒钠硼硅玻璃溶胶凝胶法 Z-scan技术
分类号: TQ171.112
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

纳米颗粒掺杂玻璃材料具有优异的三阶非线性光学性能，因而在光开关、光波导、光限幅等非线性器件上的应用前景非常广阔，近几十年来，已成为非线性光学领域的研究热点。本论文以溶胶-凝胶法制备的Pb、Sb纳米颗粒掺杂钠硼硅玻璃为研究对象，结合多种手段对玻璃中形成的纳米晶进行微结构的表征，并利用飞秒Z-scan技术对样品的三阶非线性光学性能进行表征。主要研究结果如下：（1）利用热重-差示扫描量热法，傅里叶-红外光谱、固体核磁共振技术得到了钠硼硅干凝胶的组成结构随烧结温度的变化规律，即钠硼硅玻璃的形成机理。正硅酸乙酯于常温下通过水解、脱水、脱醇等进行聚合，形成-O-Si-O-网络，硼酸脱水形成-O-B-O-键。随着温度升高，B将融入硅氧网络中，形成-O-Si-B-键，Na2O提供桥氧使[BO₃]三角体向[BO₄]四面体结构转变，400℃⁵00℃时，形成一种疏松多孔凝胶结构，550℃左右时，凝胶转变成为玻璃态，至600℃时，形成了大量的[BO₄]和[SiO₄]四面体，玻璃高度致密化。（2）通过溶胶-凝胶法制得了Pb、Sb纳米颗粒掺杂钠硼硅玻璃，着重研究了玻璃中纳米晶的微结构以及三阶非线性光学性能。通过X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪和透射电子显微镜对玻璃中Pb、Sb纳米晶的微结构进行了表征。结果表明，Pb、Sb纳米晶以球状小颗粒形式均匀镶嵌在钠硼硅玻璃中，大小为十到几十个纳米。Z-scan技术测试了样品在波长为800nm，脉冲宽度为200fs，重复频率为76MHz激光器激发下的三阶非线性光学性能，计算出其三阶非线性光学极化率χ（3）均为10-11esu数量级，并对他们的非线性产生机理进行了分析，主要为纳米晶引起的局域场效应和测试引起的热效应。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-30
  1.1 金属纳米颗粒掺杂玻璃的非线性研究背景及意义  10
  1.2 三阶非线性光学性能材料的应用  10-13
    1.2.1 全光开关  10-12
    1.2.2 光限幅器  12
    1.2.3 饱和吸收器  12-13
  1.3 三阶非线性光学原理概述  13-17
    1.3.1 非线性极化率  13-14
    1.3.2 三阶非线性折射率  14
    1.3.3 非线性吸收  14-17
  1.4 非线性光学性能的测试方法  17-20
    1.4.1 Z-扫描法  17-20
    1.4.2 简并四波混频法  20
    1.4.3 飞秒光克尔技术  20
  1.5 纳米颗粒掺杂玻璃的制备方法  20-23
    1.5.1 熔融热处理法  20-21
    1.5.2 溶胶-凝胶法  21
    1.5.3 离子注入法  21-22
    1.5.4 射频磁控溅射法  22
    1.5.5 气相沉积法  22
    1.5.6 光诱导热处理晶化法  22-23
  1.6 金属纳米粒子掺杂玻璃的研究现状  23-29
    1.6.1 金属纳米粒子的SPR研究  23-24
    1.6.2 金属微粒掺杂玻璃的三阶光学非线性  24-29
  1.7 本论文的研究目的及主要内容  29-30
第二章钠硼硅玻璃的制备及形成机理研究  30-42
  2.1 引言  30-31
  2.2 实验部分  31-35
    2.2.1 试剂与仪器  31
    2.2.2 钠硼硅玻璃的制备工艺探讨  31-35
    2.2.3 钠硼硅玻璃的形成机理探讨  35
    2.2.4 测试方法及条件  35
  2.3 结果与讨论  35-41
    2.3.1 热重-差示扫描量热(TG-DSC)分析  35-36
    2.3.2 红外光谱(FT-IR)分析  36-37
    2.3.3 核磁共振(NMR)分析  37-41
  2.4 本章小结  41-42
第三章 Pb纳米晶掺杂钠硼硅玻璃的三阶非线性光学研究  42-52
  3.1 引言  42
  3.2 实验部分  42-45
    3.2.1 试剂与仪器  42-43
    3.2.2 掺Pb钠硼硅玻璃的制备  43-44
    3.2.3 测试方法及条件  44-45
  3.3 结果与讨论  45-51
    3.3.1 X射线粉末衍射(XRD)分析  45
    3.3.2 透射电镜(TEM)分析  45-47
    3.3.3 X射线光电子能谱(XPS)分析  47
    3.3.4 吸收光谱分析  47-49
    3.3.5 Z-scan分析  49-51
  3.4 本章小结  51-52
第四章 Sb纳米晶掺杂钠硼硅玻璃的三阶非线性光学研究  52-60
  4.1 引言  52-53
  4.2 实验部分  53-55
    4.2.1 仪器与试剂  53-54
    4.2.2 掺Sb钠硼硅玻璃的制备  54
    4.2.3 表征手段及测试条件  54-55
  4.3 结果与讨论  55-59
    4.3.1 X射线粉末衍射(XRD)分析  55
    4.3.2 透射电镜(TEM)分析  55-57
    4.3.3 吸收光谱分析  57
    4.3.4 Z-scan分析  57-59
  4.4 本章小结  59-60
第五章总结与展望  60-62
参考文献  62-74
致谢  74-76
攻读学位期间发表的学位论文  76

Pb、Sb纳米颗粒掺杂钠硼硅玻璃的三阶光学非线性研究

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