GeS_2基玻璃及其薄膜的二阶非线性光学性能研究

【摘要】：为了探索具有高性能的二阶非线性光学材料，并进一步丰富和发展有关非线性光学方面的理论知识，在查阅大量文献基础之上，选取一系列不同GeS_2和Ga_2S_3含量的硫系玻璃，并在其中加入磷、砷和锑三种氮族元素，采用X衍射、紫外—可见光谱、红外光谱、Raman光谱等测试手段研究了各体系玻璃的结构及其与二阶非线性光学性能的关系。用热诱导退极化电流法研究了各体系玻璃分别在电场／温度场极化、电子束辐射极化后产生二阶非线性光学性能的机理，并计算出了其弛豫时间，通过Maker条纹法测试了玻璃样品在极化后的二次谐波特性，系统分析了玻璃组成结构、极化性能和二次谐波之间的关系。 在xGeS_2·(1-x)P_2S_5玻璃中，发现玻璃内部存在较多的多面体单元和结构缺陷可以导致玻璃在电场温度场极化后具有较大的二阶非线性光学性能。这是由于多面体单元可以作为一种阴离子基团，在高温高电场作用下成为一种特殊的偶极子发生定向排列，从而破坏了玻璃的中心对称性和各向同性，导致玻璃中出现二次谐波。 在xGeS_2·(1-x)Sb_2S_3玻璃中，作者发现由于玻璃内部存在大量金属键、错位键、极性共价键，这些缺陷可以作为偶极子在极化后发生重新排列，导致较大二阶非线性光学效应的产生。同时由于玻璃在可见光波段透过率较差，导致有反射二次谐波出现。 在(1-x-y)GeS_2·xGa_2S_3·ySb_2S_3玻璃中，发现当Sb_2S_3含量较少时，玻璃在可见光波段的透过率良好，电场温度场极化玻璃后产生明显的二次谐波；当Sb2S3含量较多时，玻璃在可见光波段的透过率较差，产生透射二次谐波和反射二次谐波；当Sb_2S_3含量超过20％时，玻璃中只出现反射二次谐波。 在(1-x)(0.8GeS_2·0.2Ga_2S_3)·xP_2S_5玻璃中，发现该玻璃在可见光波段具有良好的透过率，同时电子束辐射极化后玻璃具有稳定的二阶非线性光学性能。这是由于吸收电子和二次电子的存在，导致玻璃在电子束辐射极化后具有较大的二阶非线性光学性能。理论分析表明玻璃在可见光波段吸收系数的差别将导致透射和反射二次谐波的出现。 在GeS_2-Ga_2S_3-X_2S_3(X=P，As，Sb)体系玻璃中，发现采用电场／温度场极化和电子束辐射极化均能使玻璃产生很大的二阶非线性光学性能，这可归因于结构缺陷的存在以及内建电场的产生。玻璃在可见光波段吸收系数的差异将导致出现不同大小和不同种类的透射和反射二次谐波。 TSDC测试表明，在电场温度场极化玻璃后，由偶极子取向产生的二阶非线性光学性能的弛豫时间都很短：相反用电子束辐射极化玻璃后，硫系玻璃内部较多的结构缺陷可以有效形成吸收电子和二次电子，从而使得玻璃体系产生的二阶非线性光学性能相对来说比较稳定，具有较长的弛豫时间。 最后，采用磁控溅射方法制备了0.8GeS_2·0.1Ga_2S_3·0.1Sb_2S_3薄膜，发现薄膜的短波截止波长随溅射时间延长向长波方向移动，并且薄膜在未极化时就有稳定的二阶非线性光学性能；用激光诱导沉积法在不同基片上制备了0.64GES_2·0.16Ga_2S_3·0.2P_2S_5薄膜，发现薄膜的透过率都很高，短波截止边也向紫外端延伸。