激光沉积TiO_2基复合薄膜及其光学特性

【摘要】： 在本论文工作中,我们利用脉冲激光沉积(PLD)技术生长了TiO_2薄膜和掺Au纳米颗粒的TiO_2复合薄膜,并对薄膜的结构和光学性质进行了详细研究,采用飞秒激光和Z扫描方法测量了薄膜的非线性光学性质,所制备的薄膜表现出优良的非线性光学性质。论文的主要内容和结论如下: (1)系统研究了在PLD制备TiO_2薄膜过程中基片沉积温度、氧气分压、激光能量密度等参数对于TiO_2薄膜结构的影响。利用PLD技术在Si(100)基片和石英玻璃基片上制备了C轴取向的锐钛矿相TiO_2薄膜和(110)择优取向的金红石相薄膜,X射线衍射(XRD)、红外光谱、拉曼光谱结果显示薄膜具有良好的结晶性能。 (2)采用Z扫描技术对制备的锐钛矿相和金红石相TiO_2薄膜的光学非线性进行了研究,测试中采用了放大级飞秒激光和振荡级飞秒激光作为光源。当采用放大级飞秒激光进行测量时,锐钛矿相和金红石相TiO_2薄膜的非线性折射率分别为-6.32×10~(17)m~2/W和-2.7×10~(-17)m~2/W,非线性吸收系数分别为-6.2×10~(-11)m/W和-2.6×10~(-10)m/W;当采用振荡级飞秒激光进行测量时,薄膜表现出负的非线性吸收系数和正的非线性折射率。 (3)采用PLD方法制备了不同掺杂浓度的Au:TiO_2复合薄膜,采用XRD方法分析了薄膜的晶体结构。通过透射光谱分析了复合薄膜的线性光学性质。采用Z扫描方法测量了复合薄膜的非线性光学性质。采用放大级飞秒激光为光源时,薄膜的非线性吸收系数和非线性折射率均为负,随着掺杂浓度的提高,非线性效应增强;采用振荡级飞秒激光为光源时时,薄膜的非线性折射率为正,然而在退火前薄膜随着Au掺杂浓度的增长非线性吸收系数由负变正,退火后薄膜的非线性吸收系数均为负。 (4)采用PLD的方法制备了Au/TiO_2多层薄膜,测量了薄膜的透射光谱,结果表明随着Au掺杂浓度的增加,多层薄膜的吸收峰发生了红移。采用放大级飞秒激光对复合薄膜的非线性光学性质进行了Z扫描测量,结果表明薄膜的非线性吸收系数和非线性折射率均为负。 (5)在石英玻璃基片上制备了掺杂周期阵列排布Au颗粒的TiO_2复合薄膜,研究了Au颗粒大小和TiO_2基质对薄膜的吸收峰的影响,结果表明随着Au颗粒的增长和TiO_2基质的加入,吸收峰发生红移。