DMIT類金屬有機(jī)配合物復(fù)合薄膜的三階非線性光學(xué)性能研究.pdf

1、隨著光纖到戶和下一代廣播電視網(wǎng)的迅速發(fā)展,光纖通訊技術(shù)迎來了自密集波分復(fù)用以來的第二個(gè)發(fā)展高潮。用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬越來越高的需求,使得建設(shè)全光網(wǎng)絡(luò)日益迫切。全光網(wǎng)絡(luò)以光節(jié)點(diǎn)代替電節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)之間也是全光化,信號(hào)以光的形式進(jìn)行傳輸與交換,交換機(jī)對(duì)用戶信息的處理不再按比特進(jìn)行,而是通過波長(zhǎng)選擇器件實(shí)現(xiàn)路由選擇。全光網(wǎng)絡(luò)以其良好的透明性、波長(zhǎng)路由特性、兼容性和可擴(kuò)展性,并能提供巨大的帶寬、極高的處理速度和極低的誤碼率,成為下一代通訊網(wǎng)絡(luò)的首選。

2、r>　　 全光開關(guān)作為實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件,可實(shí)現(xiàn)在全光層的路由選擇、光交叉連接以及光自愈保護(hù)等重要功能。基于M-Z型非線性折射光開關(guān)是利用材料的三階非線性光學(xué)效應(yīng),即光學(xué)克爾效應(yīng)。用一束控制光引起材料的非線性折射率變化,使信號(hào)光通過時(shí)產(chǎn)生相位變化,從而實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的開關(guān)動(dòng)作。性能優(yōu)良的全光開關(guān)器件要求材料要具有大的三階非線性折射率,小的線性吸收和非線性吸收,快的響應(yīng)速度等特點(diǎn)。隨著具有高能量和高準(zhǔn)直性激光技術(shù)的不斷發(fā)展,開發(fā)有效的

3、激光防護(hù)器件成為激光設(shè)備應(yīng)用及掌握現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)主動(dòng)權(quán)迫切需要解決的問題。新一代的光限幅器件,主要利用了材料的反飽和吸收、雙光子吸收等三階非線性光學(xué)效應(yīng),要求材料有高的線性透過率和高的非線性吸收系數(shù)。
　　 當(dāng)前,全光開關(guān)和光限幅器等非線性光學(xué)器件的研究,使得探索新型的具有優(yōu)良三階非線性光學(xué)性能、高品質(zhì)因子的非線性光學(xué)材料日益成為材料研究領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。材料的線性光學(xué)和三階非線性光學(xué)性能參數(shù)的準(zhǔn)確表征是探索、篩選、改進(jìn)、研究全光開關(guān)和

4、光限幅材料的重要手段,并可以對(duì)器件的設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。本課題組通過一系列的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),過渡金屬的DMIT類有機(jī)配合物材料具有大的平面共軛結(jié)構(gòu),易發(fā)生極化和電荷轉(zhuǎn)移,金屬和有機(jī)體系之間的電荷轉(zhuǎn)移可以進(jìn)一步增強(qiáng)材料的三階非線性光學(xué)性質(zhì),具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。因此,本論文對(duì)三種新型DMIT復(fù)合物聚合薄膜材料進(jìn)行了系統(tǒng)的性能表征,并對(duì)影響材料三階非線性光學(xué)性能的多種因素進(jìn)行了研究和分析。主要內(nèi)容如下:
　　 第一,根據(jù)全光開關(guān)和光限幅

5、器件對(duì)材料的要求,結(jié)合DMIT類材料具有平面π電子共軛結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),通過改變配合物陽(yáng)離子和中心金屬離子,設(shè)計(jì)合成了兩種OMIT類有機(jī)金屬材料:二(1,3-二硫雜環(huán)戊烯-2-硫酮-4,5-二硫基)合銅四正丙基銨鹽(簡(jiǎn)稱為PrCu)、1,3-二硫雜環(huán)戊烯-2-硫酮-4,5-二硫基合金乙基三苯基膦鹽(簡(jiǎn)稱為TPEPADT)以及一種多硫酮衍生物材料:4,5-二苯甲酰硫基-1,3-二硫雜環(huán)戊烯-2-硫酮(簡(jiǎn)稱為BBDT)。并將以上三種材料采用旋涂法

6、和溶膠凝膠方法制備成聚合物復(fù)合薄膜。其中,PrCu和TPEPADT新材料的三階非線性光學(xué)性質(zhì)被首次報(bào)道;
　　 第二,用棱鏡耦合方法和透射光譜法對(duì)聚合物復(fù)合薄膜TPEPADT/PMMA、PrCu/PMMA以及BBDT/PMMA的線性光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了計(jì)算和表征,得到了薄膜的折射率、吸收系數(shù)、消光系數(shù)等一系列線性光學(xué)參數(shù);運(yùn)用Z掃描技術(shù)在1064 nm波長(zhǎng)下對(duì)TPEPADT、PrCu、BBDT的溶液和薄膜的三階非線性光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究

7、。通過數(shù)據(jù)擬合得到了材料的非線性折射率,非線性吸收系數(shù)和三階非線性極化率等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,TPEPADT和PrCu材料的溶液和PMMA復(fù)合薄膜均表現(xiàn)出自散焦性質(zhì),即非線性折射率n2為負(fù)值,PrCu有輕微的雙光子吸收,而TPEPADT的非線性吸收很小;BBDT材料的乙腈溶液和PMMA復(fù)合薄膜均表現(xiàn)出自聚焦性質(zhì),即非線性折射率n2為正值,其非線性吸收可以忽略不計(jì)。探索了PrCu溶液對(duì)1053 nm激光的限幅效應(yīng),結(jié)果表明PrCu的雙光子

8、吸收效應(yīng)使其在近紅外波段對(duì)激光有很好的限幅效果;探索了PrCu溶膠凝膠薄膜的三階非線性光學(xué)性質(zhì),發(fā)現(xiàn)PrCu溶膠凝膠薄膜與PrCu聚合物復(fù)合薄膜相比,非線性折射效應(yīng)相差不大,而非線性吸收效應(yīng)有明顯差別。
　　 第三,對(duì)影響材料三階非線性光學(xué)特性的多種因素進(jìn)行了進(jìn)一步研究,得到一系列研究結(jié)論:激光脈沖寬度(20 ps),重復(fù)頻率(10 Hz)時(shí),材料的熱效應(yīng)可以忽略,兩種材料的非線性折射率來源于DMIT材料離域的共軛π電子體系;T

9、PEPADT和PrCu材料由于金屬原子的引入,產(chǎn)生了金屬到配位體和配位體到金屬的電荷轉(zhuǎn)移態(tài),導(dǎo)致其非線性光學(xué)系數(shù)比BBDT大;PrCu在1064 nm處由于雙光子吸收,其非線性吸收效應(yīng)比BBDT和TPEPADT明顯;三種材料的聚合物復(fù)合薄膜由于表面局域場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng),高的聚集態(tài)使其共軛程度遠(yuǎn)大于溶液,其非線性光學(xué)系數(shù)比溶液的大;發(fā)現(xiàn)TPEPADT材料在1064 nm處具有高的離共振三階非線性光學(xué)效應(yīng),滿足全光開關(guān)對(duì)材料品質(zhì)因子W=n2I/α