推拉型分子双光子吸收的理论研究

【摘要】： 强双光子吸收材料由于在激光限幅、双光子上转换激射、三维信息存储、生物体三维成像、光动力学治癌等方面具有诱人的应用前景，成为材料化学、光子学、生物学等领域的关注热点。然而，由于一般材料的双光子吸收截面很小，双光子吸收的实际应用受到限制。近年来，随着实验技术的日益发展，实验合成了大量具有大双光子吸收截面的有机材料。实验结果显示，最有效的双光子吸收材料是由电子给体和电子受体对称或反对称的与一个π中心结合而成的系统。 为了理解具有大双光子吸收截面的分子结构与性能之间的关系和检验这些实验中合成的分子的双光子吸收性质，理论工作者发展了各种理论模型来计算分子的双光子吸收截面。利用理论模型不仅可以对分子的双光子吸收强弱进行预测，还可以为实验合成具有大双光子吸收截面的分子提供重要的理论依据和指导。我们分别以苯、二苯乙烯、噻吩为π中心，氨基、二苯氨基和二乙氨基为电子给体，硝基为电子受体组合形成的分子为研究对象，在从头计算的水平上用密度泛函理论计算了这些分子在低激发态下的单、双光子吸收强度，重点研究了分子的长度、π中心和给体的供电子能力对分子单、双光子吸收的影响。研究结果表明，分子长度与单光子吸收强度之间有密切关系，而在双光子吸收中这种关系较弱；π中心在双光子吸收中具有重要的作用；在π中心和受体一定的情况下，增加给体的供电子能力，可提高双光子吸收强度。通过计算发现，在以二苯乙烯为π中心的中间插入两个氮苯构成的D-A-A-D型分子，具有最大的双光子吸收截面。 目前，有机分子的双光子吸收性质都是在溶剂中测量的。当分子溶解在溶剂中时，溶质分子将使溶剂发生极化现象，被极化的溶剂反过来又会产生一个反应场作用于溶质分子，从而影响溶质分子的几何结构和光学特性。因此，为了解释实验结果和合成双光子吸收特性强的分子，必须考虑溶剂的影响，这就需要人们发展新的理论模型来计算溶剂效应。本文用自洽反应场的连续极化模型来模拟计算溶剂效应。计算结果表明，溶剂对分子的几何结构影响很小，但对分子的双光子吸收有较大的影响。而且，随着溶剂极性的增加，激发态的激发能减小，双光子吸收截面增大。在π中心和受体一定的情况下， 硕士学位论文 中文摘要 给体的供电子能力越强，溶剂对分子的双光子吸收的影响越大。 整篇论文共分五章。第一章主要介绍了非线性光学和双光子吸收材料的研究现状。 第二章介绍了分子的非线性光学性质，为了理解分子的非线性光学性质，我们还在第二章 介绍了含时微扰理论。当分子被溶解在溶剂中时，溶剂将影响分子的几何结构和光学性 质，第三章我们介绍了溶剂效应。第四章我们介绍了在从头计算基础上的密度泛函理论。 计算过程和结果将在第五章给出。