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铋层铁电陶瓷薄膜的三阶非线性光学特性研究

杨国华  
【摘要】:网络信息化的飞速发展对信息处理和信息传输的技术提出了更高的要求。具有优良光电特性的集成光电子功能器件是信息化飞速发展的基础。非线性光学材料在光波频率变化、激光调Q、光限幅、光波导以及光开关等光电子功能器件中具有重要的应用价值。例如一般的光开关需要材料具有较大的三阶非线性折射系数和较小的线性和非线性吸收系数;激光调Q器件要求材料具有较大的非线性光学系数。另外器件微型化和集成化的发展趋势对制备高质量的薄膜材料提出了更高的要求。因此,近一段时间来,开发具有优良三阶非线性光学特性的薄膜材料成了科研工作者的研究热点之一,并取得了丰硕的成果。目前为止,对三阶非线性光学材料的研究主要集中在有机材料、无机半导体、金属氧化物类、金属有机配合物以及铁电材料等。 铁电材料兼具非线性光学特性和铁电特性,能满足器件多功能化的要求。同时,与铁电材料相关的非线性光学理论比较成熟,有望尽快开发出具有优良光电特性的功能器件。因此,铁电材料的非线性光学特性研究受到了极大的关注。通常用的铁电压电材料由于多含铅,在制备和使用过程中会给环境和人类健康带来损害,因此不能满足可持续发展的要求。铋层铁电薄膜具有无污染、抗疲劳和介电特性好等一系列优点,因此成为替代传统铁电材料的明星材料。但是,铋层铁电氧化物材料在制备过程中,铋原子易挥发造成晶体结构中原子空位的产生,不易制备成致密的陶瓷薄膜,从而影响薄膜的介电、抗疲劳和光学等物理特性。因此,改进铋层陶瓷薄膜的制备工艺和研究其非线性特性成为铁电陶瓷薄膜材料的热点之一。 本文在铋层铁电陶瓷薄膜的制备和其非线性光学特性研究方面主要开展了以下研究工作,取得了一些创新性成果,并在国外重要刊物上发表了相关的学术论文。 1、采用脉冲激光沉积技术(PLD)分别在石英衬底上制备出结晶质量良好的Bi_(1.5)Zn_(1.0)Nb_(1.5)O_7(BZN)薄膜和Bi_(0.95)La_(0.05)NbO_4(BLN)薄膜,探索出了二者的最优化工艺参数。利用X射线衍射仪和原子力显微镜对其晶体结构、表面形貌和表面粗糙度等进行了表征,同时还利用紫外-可见-近红外分光光度计获得了其透射光谱并计算出了相关光学常数。 2、利用Z-扫描技术,首次研究了BZN铁电薄膜在1064nm激光波长下的三阶非线性光学性质,得到了新的结果和发现了其在光器件应用上具有重要的价值。 实验发现BZN在非共振区用1064nm38ps激光脉冲照射下,表现出自散焦性质,并且在大于饱和光强的激发下出现了饱和吸收。利用Z-扫描理论和实验数据,得到了BZN薄膜的三阶非线性折射系数γ=-1.45×10~(-9)m/W和非线性吸收系数β=4.06×10~(-15)m~2/W。同时还计算出三阶非线性极化率χ~(3)的实部和虚部分别为6.03×10~(-9)esu和1.82×10~(-10)esu。实验结果表明BZN铁电薄膜在1064nm处具有优良的非线性光学特性,在光电子器件中具有潜在的应用价值。这部分工作发表在Physica Status Solidi A刊物上。 3.采用La_2O_3掺杂BiNbO_4的技术制备了具有良好结晶特性的BLN薄膜,并首次研究了其三阶非线性光学性质。研究发现BLN薄膜具有优秀的非线性光学特性,在多功能集成光电器件中具有潜在的价值。 实验表明,La~(3+)掺杂可以提高BiNbO_4陶瓷薄膜的致密度,并且改进过的BLN显现出了良好的非线性光学特性。在非共振区用1064nm38ps激光脉冲照射下,BLN表现出自散焦性质,并且存在三光子吸收现象。利用Z-扫描闭孔测试技术,我们得到了BLN薄膜的三阶非线性折射系数γ=4.34×10~(-15)m~2/W和非线性吸收系数β=6.6×10~(-9)m/W;三阶非线性极化率χ~(3)的实部和虚部分别为6.77×10~(-9)esu和8.72×10~(-10)esu。实验结果表明BLN铁电薄膜在1064nm处具有优良的非线性光学特性,在光电子器件中具有潜在的应用价值。这部分工作发表在Journal of theAmerican Ceramic Society刊物上(审稿中)。


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