双光子分子材料的光限幅特性研究

【摘要】： 目前,伴随着超短超强脉冲激光技术迅猛发展,大量具有良好光学特性的有机分子材料和高分子化合物的不断出现,从而使激光脉冲与有机分子相互作用的研究进入了一个新的领域。这些有机分子材料的非线性光学性质得到了大量的应用,包括双光子吸收等。本文将重点研究具有双光子吸收特性的有机分子材料与激光的相互作用以及产生的光限幅效应。 4,4’-二(二苯基氨基)苯乙烯(BDPAS)与4,4’-二(二正丁胺基)二苯乙烯(BDBAS)分子具有较强的非线性光学性质,受到实验工作者的广泛关注并得到了很多有意义的实验结果。本文以BDPAS与BDBAS作为研究对象,分别研究了超短脉冲(fs)与长脉冲(ns)在该分子中传播时发生的相互作用以及产生的光限幅效应。在GAUSSIAN-03程序包下,我们首先利用采用基于ab initio理论水平的DFT/B3LYP方法,选择6-31G*基组作为基矢,对这两个分子结构进行优化与电子结构的计算,进一步利用含时密度泛函理论计算了这两个分子的各个激发态的能量和分子电子态之间的跃迁偶极矩,计算结果表明在低能量范围内这两个分子皆只有一个电荷转移态(第一激发态),第二激发态与第四激发态分别是BDPAS分子和BDBAS分子的最强双光子吸收态。因此在考虑脉冲激光与分子相互作用时采用三能级模型来描述这两个分子的电子能级结构。在Dalton程序包下,进一步计算得到了这两个分子的静态双光子吸收截面,并且通过与激光相互作用后的得到的动态双光子吸收截面进行了比较。 对于飞秒量级脉冲在有机分子中传播的过程,采用预估校正的时域有限差分法(FDTD)求解全波矢Maxwell-Bloch方程组,对超短脉冲与这两种分子体系的共振双光子吸收相互作用过程进行了模拟,得到的结果中显示出了明显的光限幅行为。同时我们还初步对分子的动态TPA截面进行了计算。 对于纳秒量级脉冲在有机分子BDPAS中传播的过程,由密度矩阵方程,利用分子体系内部迟豫时间结构,采用绝热近似,得到速率方程,并与傍轴波动方程联立求解,对该分子进行模拟。模拟结果表明,纳秒量级长脉冲在BDPAS分子中的主要光限幅机制主要是由基态到第一激发态与第一激发态到最强双光子吸收态之间的两步双光子吸收。脉冲的长度、分子介质厚度及密度等都对光限幅效应产生较大的影响。纳秒量级长脉冲与分子介质相互作用中的动态双光子吸收截面计算结果比静态双光子吸收截面大得多,进一步证明长脉冲与有机分子介质相互作用时主要发生两步双光子吸收。 最后本文以以一维不对称π共轭分子体系(DBASVP分子)为介质,在双光子共振条件下,从双光子面积定理和严格数值求解Maxwell-Bloch方程两方面出发,分别研究超短脉冲激光在该有机分子介质中的传播过程,从而探讨双光子面积的演化规律,并分析双光子面积定理的适用性。提出了一种数值模拟分子介质光限幅特性的理论方法。研究结果表明,基于慢变幅和慢变相近似以及单模场条件下的双光子面积定理不能很好地描述超短脉冲的双光子面积在该分子介质中的演化规律。基于双光子吸收的分子光限幅特性与分子介质的厚度有关。