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金属酞菁的光学特性研究

李芳  
【摘要】: 近年来,传统意义上的染料,因为它们特殊的光、电、磁等性质在高新技术领域得到广泛的应用,成为“功能性染料”而获得迅速发展。在已知的“功能性染料”中,酞菁以其独特的物理、化学性能而备受瞩目。其中,金属酞菁作为一种很有发展前途的有机非线性光学材料,特别引起了人们浓厚的研究兴趣。本文主要利用单光束纵向Z扫描技术,对几种金属酞菁化合物进行了非线性光学吸收特性和光限幅特性的实验和理论研究。全文的主要研究内容、结论与创新性如下: (1)介绍了非线性光学性质测量的Z扫描技术。详细分析了Z扫描技术的原理和Z扫描技术的理论计算过程,讨论了Z扫描测量的影响因素,为全文的实验研究提供了理论依据。 (2)对两种金属酞菁的电子结构和电子光谱用量子化学的方法进行了研究。以量子化学计算软件Hyperchem为工具,用PM3半经验方法和ZINDO/S方法计算研究了铜酞菁和钴酞菁的电子结构和电子光谱,并定性的归纳总结了总电子数为奇数的这类金属酞菁的可见最大吸收峰(λ_(max))与分子结构的关系。研究结果表明:在优化的分子几何构型基础上计算得到的电子光谱与实验值很吻合;并且λ_(max)与OWF_(π-π)(π-π)重叠加权因子,表征分子共轭程度大小)之间存在很好的线性关系。这为寻找分子结构对材料光学性能的影响规律,合成新型非线性光学材料提供了理论依据。 (3)对金属酞菁溶液进行了非线性光学吸收特性和光限幅特性的实验和理论研究。首先采用单光束纵向Z扫描技术用飞秒振荡级激光研究了铜酞菁溶液的非线性光学吸收特性,详细讨论了入射激光功率对非线性吸收的影响和溶液浓度对非线性吸收的影响。研究结果表明,铜酞菁溶液总体表现出反饱和吸收(RSA)效应,这主要是由材料的三光子吸收(3PA)引起;并且在铜酞菁溶液浓度较低时,随着入射激光功率增大,样品溶液的RSA效应越强,而对于浓度比较大的铜酞菁溶液,随着入射激光功率增大,样品溶液的RSA效应越强,但入射激光功率增大到一定程度,样品溶液出现“光褪色”现象,RSA效应趋于饱和,并开始减弱。然后用1064 nm Nd:YAG连续激光研究了铜酞菁溶液和多氯代铜酞菁溶液的光限幅特性,根据稳态的速率方程理论分析表明,铜酞菁溶液和多氯代铜酞菁溶液的光限幅效应主要是由材料的三重激发态吸收引起的RSA造成的。 (4)对金属酞菁薄膜进行了非线性光学吸收特性和光限幅特性的实验和理论研究。采用单光束纵向Z扫描技术用800nm飞秒放大级激光研究了铜酞菁薄膜的非线性光学吸收特性以及光限幅特性。在开孔的Z扫描实验中,观察到了SA向RSA转变的现象。理论上提出了飞秒超短超快脉冲作用有机分子的有效四能级模型,并从动态速率方程理论出发,分析讨论了此种条件下产生非线性光学吸收特性的物理机制,而且提出了SA与RSA相互转化的阈值光强理论。研究结果表明,当入射光强达到转变的阈值光强时,由于CuPc分子的高阶激发态发挥作用,使样品中的五阶非线性效应增强,导致了SA向RSA的转变。同时该研究也表明,铜酞菁薄膜有较大的五阶非线性吸收系数β~((5))(0.24×10~(-21) cm~3/W~2),对800 nm飞秒激光具有很好的光限幅效应,是一种非常有潜力的光限幅材料。


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