偶氮苯光学材料研制及其三阶非线性光学性能研究

【摘要】： 本文提出制各偶氮苯有机三阶光学非线性材料的三个要求，即分子双键数为～10，使其有较大的χ~(3)；分子具有非简并基态，使其产生光激励极化子或双极化子；分子在光驱动下产生电荷转移(CT)态的几率大。在研制成样品材料4-氮甲基氨基-4'-硝基偶氮苯(MANA)和4-氮二甲基氨基-4'-硝基偶氮苯(DMANA)以及线性吸收系数更小的偶氮苯材料4′-(2″，4″，6″-三氯苯偶氮氨基)-苯偶氮-4-硝基苯等样品1-4后，采用甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为主体，用研制的样品为客体，制成光学薄膜。对自制的偶氮苯样品作吸收光谱、荧光光谱、线性吸收系数、线性折射率以及液体样品的浓度和薄膜样品的膜厚等的测量。并用软件包HYPERCHEM对样品作量子化学计算，得到包括111个能级的能态结构，各能级的自旋量子数，偶极矩，振子强度和跃迁矩等参数。对量子化学计算中所使用的各种近似算法的精确程度作了讨论。并用C++语言编制了程序，计算得到样品分子的微观三阶非线性超极化率和宏观三阶非线性极化率。 用Z-Scan技术和四波混频方法测量了自制样品掺杂膜的χ~(3)值、时间响应、品质因子、双光子吸收系数等。各个样品χ~(3)的实验值表明，带氯原子取代基的样品比带碘原子、溴原子取代基的样品更好，对此作了初步分析。还对影响χ~(3)的瞬时光栅作用作了讨论。 为进一步提高材料的χ~(3)值，用355nm紫外激光泵浦样品，使其处于激发态，再用532nm激光做双波耦合实验。测得激发态增强的χ~(3)值，它比基态时提高了一个数量级。用激子相位空间充满理论对非线性效应的激发态增 强作了圆满的解释。／）的时间响应包含着一个快过程和一个慢过程。实验 证实了这一特征。快过程响应时间为PS量级，保持着基态／）的快速时间响 应的特点。理论上的探讨表明，快过程对应于材料从激发态通过内转换机制 向低位激发态的弛豫过程，慢过程则与低位激发态寿命，引起的因子e－”’有 关。 鉴于光学双稳态是有机材料能否实现光逻辑门和全光开关的重要因素， 本文研究了样品薄膜的色散型光学双稳性能。在棱镜表面涂布一层样品薄 膜，制成法布里－琅罗准波导结构，当调偏角大于导模线宽，臣输入光强达到 一定阈值时，输入输出特性曲线表现出双稳态特性。从实验数据中推算出样 品材料的 n。＊）在5：12n。处的值为 sxlo－‘cm’／W，与用简并四彼混频测得的结 果 2．gxlo‘cm‘／y基本符合。 综观本文工作，表明自制的一类偶氮苯有机材料具有较高的／）值、快 速的时间响应和光学双稳特性。说明该材料在光子器件方面具有潜在应用前 景。