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DMIT类金属有机配合物复合薄膜的三阶非线性光学性能研究

张敬楠  
【摘要】:随着光纤到户和下一代广播电视网的迅速发展,光纤通讯技术迎来了自密集波分复用以来的第二个发展高潮。用户对网络带宽越来越高的需求,使得建设全光网络日益迫切。全光网络以光节点代替电节点,节点之间也是全光化,信号以光的形式进行传输与交换,交换机对用户信息的处理不再按比特进行,而是通过波长选择器件实现路由选择。全光网络以其良好的透明性、波长路由特性、兼容性和可扩展性,并能提供巨大的带宽、极高的处理速度和极低的误码率,成为下一代通讯网络的首选。 全光开关作为实现全光网络中的关键器件,可实现在全光层的路由选择、光交叉连接以及光自愈保护等重要功能。基于M-Z型非线性折射光开关是利用材料的三阶非线性光学效应,即光学克尔效应。用一束控制光引起材料的非线性折射率变化,使信号光通过时产生相位变化,从而实现光开关的开关动作。性能优良的全光开关器件要求材料要具有大的三阶非线性折射率,小的线性吸收和非线性吸收,快的响应速度等特点。随着具有高能量和高准直性激光技术的不断发展,开发有效的激光防护器件成为激光设备应用及掌握现代战争主动权迫切需要解决的问题。新一代的光限幅器件,主要利用了材料的反饱和吸收、双光子吸收等三阶非线性光学效应,要求材料有高的线性透过率和高的非线性吸收系数。 当前,全光开关和光限幅器等非线性光学器件的研究,使得探索新型的具有优良三阶非线性光学性能、高品质因子的非线性光学材料日益成为材料研究领域关注的焦点。材料的线性光学和三阶非线性光学性能参数的准确表征是探索、筛选、改进、研究全光开关和光限幅材料的重要手段,并可以对器件的设计提供参考和依据。本课题组通过一系列的实验研究发现,过渡金属的DMIT类有机配合物材料具有大的平面共轭结构,易发生极化和电荷转移,金属和有机体系之间的电荷转移可以进一步增强材料的三阶非线性光学性质,具有潜在的应用价值。因此,本论文对三种新型DMIT复合物聚合薄膜材料进行了系统的性能表征,并对影响材料三阶非线性光学性能的多种因素进行了研究和分析。主要内容如下: 第一,根据全光开关和光限幅器件对材料的要求,结合DMIT类材料具有平面π电子共轭结构的特点,通过改变配合物阳离子和中心金属离子,设计合成了两种DMIT铵盐(简称为PrCu)、1,3-二硫杂环戊烯-2-硫酮-4,5-二硫基合金乙基三苯基膦盐(简称为TPEPADT)以及一种多硫酮衍生物材料:4,5-二苯甲酰硫基-1,3-二硫杂环戊烯-2-硫酮(简称为BBDT)。并将以上三种材料采用旋涂法和溶胶凝胶方法制备成聚合物复合薄膜。其中,PrCu和TPEPADT新材料的三阶非线性光学性质被首次报道; 第二,用棱镜耦合方法和透射光谱法对聚合物复合薄膜TPEPADT/PMMA、PrCu/PMMA以及BBDT/PMMA的线性光学性质进行了计算和表征,得到了薄膜的折射率、吸收系数、消光系数等一系列线性光学参数;运用Z扫描技术在1064 nm波长下对TPEPADT、PrCu、BBDT的溶液和薄膜的三阶非线性光学性质进行了研究。通过数据拟合得到了材料的非线性折射率,非线性吸收系数和三阶非线性极化率等参数。实验结果表明,TPEPADT和PrCu材料的溶液和PMMA复合薄膜均表现出自散焦性质,即非线性折射率n2为负值,PrCu有轻微的双光子吸收,而TPEPADT的非线性吸收很小;BBDT材料的乙腈溶液和PMMA复合薄膜均表现出自聚焦性质,即非线性折射率n2为正值,其非线性吸收可以忽略不计。探索了PrCu溶液对1053 nm激光的限幅效应,结果表明PrCu的双光子吸收效应使其在近红外波段对激光有很好的限幅效果;探索了PrCu溶胶凝胶薄膜的三阶非线性光学性质,发现PrCu溶胶凝胶薄膜与PrCu聚合物复合薄膜相比,非线性折射效应相差不大,而非线性吸收效应有明显差别。 第三,对影响材料三阶非线性光学特性的多种因素进行了进一步研究,得到一系列研究结论:激光脉冲宽度(20 ps),重复频率(10 Hz)时,材料的热效应可以忽略,两种材料的非线性折射率来源于DMIT材料离域的共轭π电子体系;TPEPADT和PrCu材料由于金属原子的引入,产生了金属到配位体和配位体到金属的电荷转移态,导致其非线性光学系数比BBDT大;PrCu在1064 nm处由于双光子吸收,其非线性吸收效应比BBDT和TPEPADT明显;三种材料的聚合物复合薄膜由于表面局域场增强效应,高的聚集态使其共轭程度远大于溶液,其非线性光学系数比溶液的大;发现TPEPADT材料在1064 nm处具有高的离共振三阶非线性光学效应,满足全光开关对材料品质因子W=n2I/α0λ和T=βλ/n2(且|W|1,|T|1)的要求。 本研究工作得到了国家自然科学基金(批准号:60778037和11004123)和高等学校全国优秀博士学位论文专项资金课题(批准号:200539)的支持。


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