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GeS_2-Ga_2S_3-CdS体系非线性光学玻璃的制备、结构与性能研究

顾少轩  
【摘要】:非线性光学材料是光信息技术的关键材料之一,在全光信号处理、光子计算机等方面有广泛的应用前景。玻璃是一种新型的非线性光学材料。硫系玻璃具有比一般氧化物玻璃更高的非线性光学系数,因而硫系非线性光学玻璃是国际前沿研究课题。Ge-Ga-S体系玻璃具有优良热稳定性、化学稳定性和较高的可见光透过率,并易于通过组成控制在玻璃结构中引入结构缺陷来提高其非线性光学性能。因此,对于GeS_2—Ga_2S_3—CdS非线性光学玻璃的研究具有重要的理论意义和应用价值。 本文采用常规熔融淬冷方法制备了GeS_2—Ga_2S_3—CdS准三元体系玻璃;采用X-射线衍射谱、拉曼散射、综合热分析、紫外-可见-近红外光谱、红外光谱等技术对GeS_2—Ga_2S_3—CdS准三元体系玻璃的组成、结构、基本物理性能及其相关性进行了系统研究,利用飞秒Optical Kerr Effect(OKE)技术研究了该体系玻璃的超快三阶非线性光学性能及其与组成和结构的关系,采用Maker条纹测试技术研究了该体系玻璃中电场-温度场诱导的的二阶非线性光学效应(SHG)。 在前人研究基础上,确定了GeS_2—Ga_2S_3—CdS准三元体系玻璃的形成区,发现GeS_2—Ga_2S_3—CdS玻璃的玻璃转变温度在375-436℃之间,确定玻璃形成能力最佳的玻璃组成为90GeS_2·5Ga_2S_3·5CdS。 GeS_2—Ga_2S_3—CdS玻璃的结构及其与性能相关性研究表明,玻璃的结构基元是[GeS_(4/2)]、[GaS_(4/2)]或S_3Ge(Ga)-(Ga)GeS_3双四面体,它们通过共顶、共边连接,向三维空间延伸,形成无规则网络结构;CdS提供非桥硫,起降低玻璃网络聚合程度的作用;玻璃结构缺陷源于组成上的非化学计量和CdS的解聚作用;紫外截止边λ_(vis)、密度d、折射率n等性能与玻璃组成紧密相关,λ_(vis)主要决定于组成元素的原子量,n、d决定于Ge的含量,热性能和耐水性与玻璃的结构紧密相关;玻璃在500nm~1100nm之间的透过率超过50%。 GeS_2—Ga_2S_3—CdS体系玻璃有较强的超快三阶非线性光学反应。结果表明,所有玻璃的OKE信号在0点都是对称的,信号宽度为150fs,玻璃中的缺陷越少,x~((3))值越高,最高可达10~(-12)esu;玻璃的超快三阶光学非线性与线性折射率n之间不呈线性关系;玻璃OKE信号的光感应增强的主要原因是IVAP(Intimate Valence Alteration Pairs)沿外场方向平行排列,导致了光诱导各向异性。 经电场-温度场极化的GeS_2—Ga_2S_3—CdS玻璃形成对称性良好的Maker条纹,入射角在±(40-50)°左右时,SHG的相对强度出现最大值。二阶非线性光学效应与组成、结构及极化条件相关性研究结果表明,SHG的强弱与极化条件密切相关,在5kV、280℃、30分钟的极化条件下,70GeS_2·15Ga_2S_3·15CdS玻璃的二阶非线性极化系数x~((2))达到最大值4.36pm/V;根据偶极子取向模型,解释了SHG产生机理以及各种极化条件、组成对玻璃二阶光学非线性的影响;发现玻璃的电致极化区域位于阳极表面以下十几μm处,二阶非线性光学效应在室温下是稳定的。


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