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含纳米颗粒的硫系玻璃材料三阶非线性特性研究

吕馨  
【摘要】:近年来,随着光通信、全光信息和光学计算机等研究工作的飞速发展,对光开关、波长转换器、光滤波器等无源器件提出了实用化的要求。解决这一瓶颈的关键就是制备出具有良好非线性性能的超快光子学器件。硫系玻璃由于普遍具有较宽的透过范围、较高折射率、较大的三阶非线性极化率、较快的光响应时间和易于加工成膜等优点,受到了广泛的关注,被认为是实现超高全光开关的理想材料之一[1]。然而,较弱的抗热冲击以及抗裂纹扩展能力影响了硫系玻璃的应用前景。 本文系统的研究了Ge-Ga-S_系统玻璃在掺入CsCl离子和重金属离子PbCl_2后,玻璃的光学、热稳定和三阶非线性特性。并对其最优组分进行热处理,成功制备了含有纳米颗粒的硫系玻璃陶瓷,测试了玻璃陶瓷的光学、热稳定性和三阶非线性光学特性。 论文的绪论简要地综述了三阶非线性光学的理论概念以及其材料的研究进展。重点介绍了硫系玻璃的三阶非线性研究的主要研究方向和研究成果。并提出了本文的研究思路和内容。 第二章介绍了本文的研究方法:介绍了析晶动力学的有关原理和求解动力学参数的常用方法。介绍了试验的样品光学性能测试及光学参数的计算。最后详细介绍测量三阶非线性参数的Z-scan技术以及相关试验参数的测量与计算方法。 第三章主要介绍了硫系玻璃的实验方法,包括玻璃制备和样品测试。 第四章采用熔融-淬冷法制备了GeS_2-Ga_2S_3-CsCl硫卤玻璃,并在T=430℃进行热处理的晶化实验。测试了热处理前后样品的密度、可见和中远红外的透过性,讨论了不同热处理时间对样品性能的变化规律。X射线衍射和扫描电子显微镜测试显示,玻璃中主要析出为Ga_2S_3晶相,晶粒尺寸为50~100nm。特别地,利用Z扫描测量了该组分基础玻璃和其微晶玻璃在800nm波长下的三阶非线性特性,由于量子效应的影响玻璃的非线性折射率n_2和非线性吸收系数β在热处理微晶化后均有明显增加。 第五章采用熔融-淬冷法制备了(100-x)(75GeS_2-25Ga_2S_3)-xPbCl_2(x=0,5,10,15mol%)系列硫卤玻璃,测试了样品的密度、可见-中远红外的透过性以及样品的折射率,根据Z-扫描测试原理用钛宝石飞秒激光器测试了样品的三阶非线性特性随组分变化的特性。结果表明:随着PbCl_2含量的增加,样品的线性折射率变大,短波截止波长蓝移,光学带隙逐渐增大,玻璃稳定性变好,三阶非线性折射率和非线性吸收系数变大。 第六章对(100-x)(75GeS_2-25Ga_2S_3)-xPbCl_2(x=0,5,10,15mol%)玻璃的析晶动力学做了分析。在非等温条件下研究了玻璃的析晶活化能E和Avrami参数n,判断了玻璃的析晶程度和热稳定性。最终选择65GeS-25Ga_2S_3- 10PbCl_2玻璃组分为研究对象,对玻璃进行热处理,采用XRD发现样品热处理后得到的晶相种类为(Ga_4Ge)S_4和PbCl_2纳米颗粒。测试了热处理前后样品的密度、硬度、可见和中远红外的透过性以及三阶非线性特性,结果明显在红外透过基本不变的情况下,玻璃样样品的硬度、稳定性和三阶非线性都有所提高。 第七章给出了本研究工作的结论,同时指出了存在的不足及需要补充引进之处。


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