有机材料反饱和吸收特性分析.pdf

第3 0 卷第1 期 一 应用光学V 0 1 3 0N o 1 2 0 0 9 年1 月 J o u r n a lo fA p p l i e dO p t i c sJ a n 2 0 0 9 文章编号：1 0 0 2 2 0 8 2 ( 2 0 0 9 ) 0 1 一0 1 7 2 0 5 有机材料反饱和吸收特性分析 李德川1 ，王明建1 ，方香云2 ，李健 ( 1 山东师范大学物理与电子科学学院山东济南2 5 0 0 1 4 I 2 中国科学院理化技术研究所测试中心，北京1 0 0 1 9 0 ) 摘要：从能级角度出发，结合入射激光脉宽对粒子吸收方面的影响，用速率方程模拟了各能级粒 子数的瞬时变化关系，给出了激光脉宽与能级寿命可比拟时反饱和吸收的动态解，表明粒子在能级 上的分布情况。用C 6 0 和H I T C I ( 1 ，17 ，3 ，3 ，3 ，3 - h e x am e t h y ll i n d ot r i c a r b o c y a n i n eI o d i d e ) 的实验参数理论模拟了激发态吸收截面大于基态吸收截面时透射率随光强的变化关系，用以说明大 的上能级吸收截面可以抑制光强过大时引起的饱和吸收，增强材料的非线性光限幅特性。 关键词：速率方程；反饱和吸收；光限幅； 中图分类号：T N 2 4 8 1文献标志码：A R e v e r s es a t u r a b l ea b s o r p t i o np r o p e r t yo fo r g a n i cm a t e r i a l L ID e c h u a n l ，W A N GM i n g j i a n l ，F A N GX i a n g y u n 2 ，L IJ i a n l ( 1 C o l l e g eo fP h y s i c sa n dE l e c t r o n i c s ，S h a n d o n gN o r m a lU n i v e r s i t y ，J i n a n2 5 0 0 1 4 ，C h i n a l 2 T e c h n i c a lI n s t i t u t eo fP h y s i c sa n dC h e m i s t r yo ft h eC h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e ，B e i j i n g ，1 0 0 1 9 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：W i t he n e r g yl e v e la n dt h ei n f l u e n c eo fi n c i d e n tl a s e rp u l s ew i d t ho np a r t i c l ea b s o r p t i o n t a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n ，t h ei n s t a n t a n e o u sr e l a t i o n s h i po ft h ep a r t i c l e so ne a c he n e r g yl e v e lw a s s i m u l a t e dw i t ht h et h e o r e t i c a lr a t ee q u a t i o n T h ed y n a m i cs o l u t i o no fr e v e r s es a t u r a b l e a b s o r p t i o nw a sg i v e nw h e nt h el a s e rp u l s ew i d t hw a sc o m p a r a b l et Ot h el i f e t i m eo fe n e r g yl e v e l w h i c hi n d i c a t e dt h ep a r t i c l ed i s t r i b u t i o na tt h ee n e r g yl e v e l s T h ev a r i a t i o no ft h et r a n s m i t t a n c e w i t ht h el i g h ti n t e n s i t yw a st h e o r e t i c a l l ys i m u l a t e dw i t ht h ee x p e r i m e n tp a r a m e t e r so fC 6 0a n d H I T C lw h e nt h ec r o s ss e c t i o no ft h ee x c i t e d - - s t a t ea b s o r p t i o nw a sl a r g e rt h a nt h a to ft h eg r o u n d s t a t ea b s o r p t i o n I ti n d i c a t e st h a tt h el a r g e ru p p e re n e r g yl e v e la b s o r p t i o nc r o s ss e c t i o nc a n r e s t r a i nt h es a t u r a t i o na b s o r p t i o nc a u s e db yi n t e n s el i g h t T h en o n l i n e a ro p t i c a ll i m i t i n go ft h e o p t i c a lm a t e r i a l sw a si m p r o v e d K e yw o r d s ：r a t ee q u a t i o n ；r e v e r s es a t u r a b l ea b s o r p t i o n ；o p t i c a ll i m i t i n g 引言 自1 9 6 4 年G o r d e n 等人首次报道光限幅效 应 1 ，1 9 6 7 年L e t i e 在阴丹酮染料中观察到反饱和 吸收现象以来 2 ，直到2 0 世纪8 0 年代人们才广泛 认识到该现象在光限幅、激光脉冲定形及空间光调 制等领域的潜在应用前景。各种基于激光的防护技 术不断涌现，主要是针对人眼、光电传感器件及光 学系统的防护。近年来，人们利用非线性光学原理 的自聚焦、自散焦、双光子吸收、非线性散射以及反 饱和吸收等非线性光学效应实现光限幅。目前研究 最多且性能最好的是非线性反饱和吸收( R S A ) 材 料对光限幅的应用 3 书 。本文基于非线性材料的反 饱和吸收特性，从能级角度出发，结合入射激光脉 宽在粒子吸收方面的影响，用速率方程模拟了各能 收稿日期：2 0 0 8 0 5 0 3 ；修回日期：2 0 0 8 0 6 2 0 作者简介：李德川( 1 9 8 5 - - ) ，男，安徽怀远人，硕士研究生，主要从事固体激光器器件方面的研究工作。 E m a i l ：I i d e c h u a n 2 0 0 2 1 6 3 c o r n 万方数据 应用光学2 0 0 9 ，3 0 ( 1 ) 李德川，等：有机材料反饱和吸收特性分析 1 7 3 级粒子数的瞬时变化关系，给出了激光脉宽与能 级寿命可比拟时反饱和吸收的动态解。用C 。和 H I T C I 的实验参数理论模拟了激发态吸收截面大 于基态吸收截面时透射率随光强的变化关系，说明 大的上能级吸收截面可以抑制光强过大时引起的 饱和吸收，增强材料的非线性光限幅特性。 1速率方程 反饱和吸收的特点是吸收系数随入射光强的 增加而增大。发生条件是分子系统的激发态吸收截 面大于基态吸收截面口 。 反饱和吸收一般发生在非共振或近共振区，因 而这种光限幅可以具有高的线性透射率。反饱和吸 收又称为有机材料的激发态吸收，其时间特性决定 于材料的激发态寿命。在光强很小时，以基态和单 重态激发态的吸收为主；在光强较高时，可以诱发 更高能级和三重态的吸收。因此表现出吸收系数随 光强的增加而增大的现象。若吸收系数在大于某一 强度的能量照射后出现吸收系数随光强增加而减 小的现象称为饱和吸收。由于激发态寿命以及系际 跃迁寿命比较短，因而反饱和吸收光限幅的开关速 度可以很快。 1 1 三重态能级的速率方程 2 0 0 5 年，张正华等人给出了反饱和吸收材料 以及它们的限幅实验参数 4 ，当入射激光脉宽大于 系际跃迁时间时，三重态吸收起了作用。在粒子数 建立过程中，基态粒子吸收光子跃迁至第一激发态 上，然后迅速弛豫到5 。和T 。上，处于S ：和T ，上的 粒子可能被激跃迁至上能级，然后以极快的速度返 回( p s ) 邙 ，远小于各下能级的寿命( n s ) 。因此可 以不考虑5 。和丁。能级图如下： S 图1C 。分子能级图 F i g 1D i a g r a mf o re n e r g yl e v e lo fC 6 0m o l e c u l e 不考虑高激发态上的粒子布居数分布，五能级 模型速率方程5 1 为 d N l 一口l N l l N 2N 3 可厂2 一百十i 十示 d N 2 吼N 1 IN 2 N 3 d t h wr 2 17 d N 3N 2 N 3 一d t i i N = N l + N 2 - i - N 3 式中： 础为入射光子能量；N 。，N 。和。分别为 s 。，| s 。和丁，3 个能级的分子布居数；I 为人射高斯 光束光强。在光的传播方向上，由于样品的吸收，光 强，的变化为 筹= 一( 吼N 1 + 口2 2 + 卯l 3 ) J ( 2 ) 为了说明各能级上粒子数随时间的变化关系。 选用波长为5 3 2n m ，峰值功率为1 0 8W c m 2 的激 光，样品浓度为3 8 1 0 - 3 m o l 的C 。甲苯溶液，C 。 的参数由文献 5 给出：口l = 1 2 4 1 8 - 1 8 c m 2 ，盯2 = 6 8 1 1 0 1 8c m 2 ，d 3 = 4 1 0 1 8c m 2 ，r 2 l = 3 0n s ， r T l = 2 8 0n s ，0 汀= 1 2n s 。 假设高斯脉冲为I - - - - I 。e x p ( 一( t r ) 2 ) ，r 为激光 脉宽，J r 。为峰值功率，求解上述速率方程可得到各 能级的粒子数变化关系： 千 E ， o ： 籁 窿 捂 m 惫 ，n S ( b ) f = 1 0 n 5 8 6 4 2 O 8 6 4 2 O ，gu乞_蟊噬幡件求 万方数据 1 7 4 应用光学2 0 0 9 ，3 0 ( 1 )李德川，等：有机材料反饱和吸收特性分析 E o = 籁 碰 梧 俸 焱 图2C 6 0 各能级粒子数随时间的变化关系 F i g 2 V a r i a t i o no fC 6 0p a r t i c l eq u a n t i t y o fe a c he n e r g yl e v e lw i t ht i m e 由图2 粒子数随时间的变化关系可见，当入射 激光脉宽r 远大于或等于系际跃迁时间r 。= 1 2n s 时，反饱和材料中三重态第一激发态T 。上的粒子 数占主导地位；当入射激光脉宽r 小于系际跃迁时 间= 1 2n s 时，三重态丁的作用开始减小，此时 粒子数主要集中在第一激发态咒。上，可以看出入 射激光脉宽大小影响着能级粒子数分布。同时由图 2 ( a ) 和图2 ( b ) 可看出：在峰值光强相同的脉冲下， 脉宽越小，建立平衡所需要的时间越短。 2 2 单重态能级的速率方程 入射激光的脉宽直接影响着材料的非线性吸 收，决定着吸收区域。一般情况下，有机材料对于p s 脉冲的限幅效应明显优于n S 脉冲，对于掺有重金 属的酞菁类以及铁钴类化合物，由于其系际跃迁时 间一般为n s 级( 晶体材料中所掺杂的重金属离子 的种类会影响到有效发射截面、能级寿命以及系际 跃迁时间) ，所以当使用超快激光作为探测源时，三 重态的作用一般可以忽略 9 。通常有机分子在室温 下受激辐射强度很弱，可以忽略。激光与有机分子 作用的非线性吸收过程可采用四能级分子模型描 述，如图3 所示。 蜀 S ； 最 墨 t 岛 I 口2 f a l 图3 单重态粒子能级图 F i g 3D i a g r a mo fs i n g l ee n e r g yl e v e l 单重态四能级模型的速率方程和光传输方 程1 0 3 为 警= 飞警+ 等 d 。 d f c r l N l ( f ) J ( f ) 盯 | I l 叫 2 N 2 ( ) ，( ) N 3 ( )N 2 ( f ) r 3 2r 2 1 d N 3盯2 N 2 ( f ) ，( ) N 3 ( ) d t r 3 2 N = N l _ N 2 + N 3 墨= 吨。N 。托N ：怕N m + ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) 式中：能级5 。，J s 。，S 。粒子布居数分别为N ，N ：， N 。；N 是总粒子布居数；S 。和S 。态能级寿命分 别为r 2 1 和r 3 2 盯l ，口2 ，盯3 分别是能级S 1 ，S 2 ，s 3 上的 吸收截面；I 是入射光强；2 是光传输方向。 取有机材料H I T C I 的参数 6 ：N _ - - 9 5 1 0 1 6 c m 3 ，吼22 5 1 0 一 c m 2 ，盯2 ；8 7 5 1 0 1 7c m 2 ，仃3 = 1 5 1 0 1 7c m 2 ，r 2 1 1 7 1 0 S ，龟2 = 2 2 1 0 _ 1 2S ，光强i - - 1 0 8W c m 2 。其动态粒子数变化关 系如图4 所示。 l 1 0 叫n s 图4H I T C I 各能级粒子数随时间的变化关系 ( r = 1 5p s ，J 一1 0 8W c m 2 ) F i g 4 V a r i a t i o no fH I T C Ip a r t i c l eq u a n t i t yo fe a c he n e r g y l e v e lw i t ht i m e ( r = 1 5p s 。，= 1 0 8W c m 2 ) 8 6 4 2 O 8 6 4 2 0 ，暑，。l赫罟梧佛奄 O 9 8 7 6 5 4 3 2 O ，E。10一裁避梏m淼 万方数据 应用光学2 0 0 9 ，3 0 ( 1 ) 李德川，等：有机材料反饱和吸收特性分析 1 7 5 由图4 可知，基态S ，和第一激发态5 z 上的粒 子数明显小于第二激发态5 。上的粒子数，这是由 于第一激发态5 。的吸收截面大于第二激发态s 。和 基态S 。的吸收截面。但对于这种特殊的能级结构， 当光强过大时，第二激发态5 。上小的吸收截面会 引起吸收饱和，不能满足限幅要求。因此发生反饱 和吸收的条件是上能级的吸收截面大于下能级的 吸收截面 1 。 2 透过率的影响因素分析 2 1 吸收截面对透过率的影响 H I T C I 的N = 9 5 1 0 1 6 c m 3 ，液体通光长度L = lm m ，C 6 0 甲苯溶液C 一2 9 1 0 一m o l ，L = 5m m ，假设高斯脉冲为I = J 。e x p ( - - t r ) 2 ) ，r 为激 光脉宽，J 。为峰值功率，透过率为经过样品后的光 强，。，与入射光强，。比值，即T = I 。1 。，利用( 7 ) 式 和( 2 ) 式对长度L 积分，得到透过率丁随光强，的 变化曲线，其模拟计算值如图5 所示。 静 捌 煅 静 捌 缎 光强( w c m 。) ( a ) H I T C I 光强( w c m 。) ( b ) C 。 图5 透过率随光强的变化关系 F i g 5 V a r i a t i o no ft r a n s m i t t a n c ew i t hl i g h ti n t e n s i t y 在图5 ( a ) 中，由于H I T C I 的第一激发态吸收 截面大于基态吸收截面，在一定光强( 1 0 5W c m z J 1 0 1 0 W c m 2 ) 下具有较低的光强透过率，表现 出较好的光限幅性能，但当光强继续增大时，透过 率逐渐增加，光限幅性能减弱。这主要是因为第二 激发态吸收截面小于第一激发态吸收截面( 由上能 级饱和吸收引起) 。而由图5 ( b ) 可以看出，C 。则表 现出较好的吸收性能，没有在光强较大时出现的饱 和吸收现象。 因此，H I T C I 的透过率在光强小于1 0 9W c m 2 时，其光吸收的表现正常，反饱和吸收作用明显。在 光强超过1 0 1 0 W c m 2 以后，介质表现出饱和现象。 因此，对于H I C T I 这类材料，其光限幅作用区域一 般在光强低于1 0 1 0 W c m 2 范围内。而C 。则没有区 域限制。 2 2 掺杂粒子浓度对透过率的影响 测试材料掺杂粒子浓度影响着材料的透过率 和限幅阈值n 引。当掺杂浓度增加时，有效吸收截面 不变，相应的线性透过率减小，光限幅的阈值变小， 表现为较好的限幅效应。这是因为掺杂浓度越大， 参与反饱和作用的分子数密度越大，因而光限幅能 力增强。以C 。甲苯溶液为例，改变溶液浓度，得到 透过率T 随浓度C 的变化曲线。模拟参数：L = 5m l T l ，r = 1 2n s ，I 一1 0 8W c m 2 ，限幅曲线如图6 所示。 1 0 09 0 8 07 碍06 菇 0 4 0 ，3 0 2 0 1 O l 图6C e o 甲苯溶液透过翠7 随浓度C 的变化关系 F i g 6 T r a n s m i t t a n c eV Sc o n c e n t r a t i o no fC 6 0t o l u e n es o l u t i o n 2 3 影响透过率的其他因素 热增幅效应影响材料的非线性性能，对入射光 有损耗 】引。在一定的光强范围内，光限幅主要有介 质的激发态吸收；当光强达到一定阈值后，激发态 吸收增加，吸收截面增大，增强了材料的热自散焦 非线性，从而增强了光限幅特性。因激发态吸收的 作用比较大，所以具有较高的线性透射率，能够满 足可见光透过率高的光限幅性能指标。 3结论 对C 。来说，当脉冲宽度小于系际跃迁时间时， 万方数据 1 7 6 应用光学2 0 0 9 ，3 0 ( 1 )李德川，等：有机材料反饱和吸收特性分析 单重激发态吸收粒子数占总数的比例较大；当脉冲 宽度大于等于系际跃迁时间时，三重激发态的吸收 占主要地位，第一激发态影响减小。在光强一定的 情况下，给出了吸收系数、透过率随时间的变化关 系，表明粒子数的分布情况及激光脉宽对粒子数建 立平衡时的影响。通过比较C 。和H I T C I ，可以看出 能级吸收截面的大小决定着粒子数的吸收，从而决 定材料充当限幅材料的性能，并就影响吸收的几种 因素进行了分析。 参考文献： 1 3G O R D O NJP ，L E I T ER CC ，M O O R ERS ，e ta 1 L o n g t r a n s i e n te f f e c t s i nl a s e r sw i t hi n s e r t e dl i q u i d s a m p l e s J A p p l e dP h y s i c s ，1 9 6 5 ，3 6 ：3 - 8 2 G E U S I CJE ，S I N G HS 。T I P P I N GDW ，e ta 1 T h r e ep h o t o ns t e p w i s eo p t i c a ll i m i t i n gi ns i l i c o n J 3 P h y s R e v L e t t ，1 9 9 6 ，1 9 ( 1 9 ) ：1 1 2 6 1 1 2 8 3 J O S E P HWP ，K A M J O UM ，S E T HRM ，e ta 1 E n h a n c e dr e v e r s es a t u r a b l ea b s o r p t i o na n do p t i c a l l i m i t i n gi nh e a v y - a t o m s u b s t i t u t e dp h t h a l o c y a n i n e s 口 O p t i c sL e t t e r s ，1 9 9 4 ，1 9 ( 9 ) ：6 2 5 6 2 7 4 3 张正华，徐伟箭，刘含茂反饱和吸收光限幅效应与 激光防护 J 精细化工中问体，2 0 0 5 ，3 5 ( 5 ) ：5 1 5 4 Z H A N GZ h e n g h u a ，X UW e i j i a n ，L I UH a n m a o R e v e r s es a t u r a t i o na b s o r p t i o no p t i c a ll i m i t i n ge f e c t a n dl a s e r p r o t e c t i o n J F i n eC h e m i c a l I n t e r m e d i a t e s ，2 0 0 5 ，3 5 ( 5 ) ：5 1 5 4 ( i nC h i n e s e ) 5 李淳飞，王玉晓，国风云，等C 。介质反饱和吸收动力 学 J 物理学报，1 9 9 3 ，4 2 ( 8 ) ：1 2 3 6 1 2 4 4 L IC h u n f e i ，W A N GY u x i a o ，G U O F e n g y u n ， e ta 1 D y n a m i c so fr e v e r s es a t u r a b l ea b s o r p t i o na n d o p t i c a ll i m i t i n gi nC 6 0m e d i u m J A c t aP h y s i c a S i n i e a ，1 9 9 3 ，4 2 ( 8 ) ：1 2 3 6 1 2 4 4 ( i nC h i n e s e ) 6 R I C H A R DL ，A N D R E YK ，D A V I DJH ，e ta 1 P i c o s e c o n do p t i c a l l i m i t i n g i nr e v e r s es a t u r a b l e a b s o r b e r s ：at h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d y J 0 p t S o c A m B ，2 0 0 2 ，1 9 ( 1 ) ：9 4 1 0 1 7 T U T TLW ， M c C a h o nSW R e v e r s es a t u r a b l e a b s o r p t i o ni nm e t a lc l u s t e rc o m p o u n d s J O p t i c s L e t t e r s ，1 9 9 0 ，1 5 ( 1 2 ) ：7 0 0 7 0 2 8 H E R E B E RM ，C H UW ，S T O C K M A NDL A n e x p e r i m e n t a ls t u d yo fs a t u r a b l ea b s o r b e r sf o rr u b y l a s e r s J Q u a n t E l e c t r ，1 9 6 8 ，Q E 一4 ( 1 1 ) ：9 5 4 9 6 8 9 C o u L T E RDR ，M I S K O W S K IVM ，P E R R YJw M a t e r i a l sf o ro p t i c a ls w i t c h e s ，i s o l a t o r s ，a n d l i m i t e r s J 3 S P I E ，1 9 8 9 ，1 1 0 5 ：1 0 3 1 1 3 r 1 0 H U G H E SS ，W H E R R E T TB M u h i l e v e lr a t e e q u a t i o na n a l y s i st oe x p l a i nt h er e c e n to b s e r v a t i o n s o fl i m i t a t i o n st oo p t i c a ll i m i t i n gd y e s J P h y s R e v ( A ) ，1 9 9 6 ，5 4 ( 4 ) ：3 5 4 6 3 5 5 2 1 1 邓晓旭，张学如，王玉晓，等有机分子系统中反饱和 吸收向饱和吸收转化的条件 J 光学学报，2 0 0 0 ，2 0 ( 3 ) ：3 3 0 3 3 4 D E N GX i a o X U ，Z H A N GX D e r u ，W A N GY u x i a o 。 e ta 1 T h ec r i t i c a lc o n d i t i o nf o rt h ec o n v e r s i o nf r o m r e v e r s es a t u r a b l ea b s o r p t i o nt os a t u r a b l ea b s o r p t i o n i no r g a n i cm o l e c u l a rs y s t e m J A c t aO p t i c aS i n i c a ， 2 0 0 0 ，2 0 ( 3 ) ：3 3 0 3 3 4 ( i nC h i n e s e ) 1 2 刘晓杰，尹海涛物理参数对光限幅效应的影响口 应用光学，2 0 0 6 ，2 7 ( 1 ) ：9 - 1 1 L I UX i a o j i e ，Y I NH a i t a o T h ei n f l u e n c eo fo p t i c a l p h y s i c sp a r a m e t e r so no p t i c a ll i m i t i n ge f f e c t J A p p l i e dO p t i c s ，2 0 0 6 ，2 7 ( 1 ) ：9 - 1 1 ( i nC h i n e s e ) 1 3 J U S T U SBL ，C A M P I L L OAJ ，H U S T O NAL T h e r m a l d e f o c u s i n g s c a t t e r i n go p t i c a ll i m i t e r J 0 p t i c sL e t t e r s ，1 9 9 4 ，1 9 ( 9 ) ：6 7 3 6 7 5 万方数据 有机材料反饱和吸收特性分析有机材料反饱和吸收特性分析 作者：李德川， 王明建， 方香云， 李健， LI Dec-huan， WANG Ming-jian， FANG Xiang-yun ， LI Jian 作者单位：李德川,王明建,李健,LI Dec-huan,WANG Ming-jian,LI Jian(山东师范大学物理与电子科学 学院,山东济南,250014)， 方香云,FANG Xiang-yun(中国科学院理化技术研究所测试中心 ,北京G,100190) 刊名： 应用光学 英文刊名：JOURNAL OF APPLIED OPTICS 年，卷(期)：2009，30(1) 被引用次数：0次 参考文献(13条)参考文献(13条) 1.GORDON J P.LEITE R C C.MOORE R S Long-transient effects in lasers with inserted liquid samples 1965 2.GEUSIC J E.SINGH S.TIPPING 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J.HUSTON A L Thermal-defocusing/scattering optical limiter 1994(09) 相似文献(10条)相似文献(10条) 1.学位论文 李德川 调Q激光特性及有机材料反饱和吸收的特性分析 2009 激光二级管(LaserDiode，LD)泵浦的全固态激光器具有体积小、效率高、稳定性好和寿命长等优点，在国防、光电子产业、光通讯和医疗卫生等 领域有着重要的应用。激光晶体是全固态激光器(DPSL)中最重要的核心部分，在很大程度上它决定了激光器的输出特性。本论文主要对Cr4+：YAG被动调 Q激光器进行了理论分析及实验研究。最后对反饱和吸收做了理论分析。主要内容有： 1.首先对全固态激光器的历史、发展进行了总结，介绍了全固态激光器的主要特性；简单介绍了几种常用的、适于端面泵浦的激光晶体；分析了现 有激光防护原理、激光防护技术和激光防护材料。 2.简单介绍了Cr4+：YAG被动调Q理论，对Nd：YVO4、Nd：GdVO4的激光特性进行了系统地研究，从速率方程出发，结合Cr4+：YAG可饱和吸收的特性 ，对其准连续激光输出特性进行了研究，给出了实现准连续激光脉冲的峰值功率、重复频率的计算公式。实验结果表明，输出平均功率随着泵浦功率的 增大而增加，而脉冲宽度随泵浦功率的增加而减小，重复频率则随着泵浦功率的增加而增大，峰值功率也近似随泵浦功率而线性增大，当泵浦功率增加 到7.97W时，输出激光平均功率达到0.709W，脉冲宽度48ns、重复频率38kHz、峰值功率达到38.87kW，与理论值基本一致。 3.介绍了反饱和吸收的原理，从能级角度出发，结合入射激光脉宽在粒子吸收方面的影响，用速率方程模拟了各能级粒子数的瞬时变化关系，给出 了激光脉宽与能级寿命可比拟时的反饱和吸收的动态解，表明了粒子在能级上的分布情况。用C60和HITCI(1，1，3，3，3，3hexa methyl lindo tricarbocyanine Iodide)的实验参数理论模拟了激发态吸收截面大于基态吸收截面时透射率随光强的变化关系，说明了大的上能级吸收截面可以 抑制光强过大时引起的饱和吸收，增强材料的非线性光限幅特性。 2.学位论文 周立兵 非线性反饱和吸收材料的研制及其防激光性能研究 1999 该论文介绍了新型防激光材料-具有反饱和吸收性质的光开关材料的特性.在实验中研究人员自行合成了一种具有非线性反饱和吸收性质的化合物- 阴丹士林,并且合成了它的三种衍生物:阴丹士林还原产物;阴丹士林氯化物;阴丹士林低聚体.研究人员以YAG 倍频调Q脉冲激光测试了这四种化合物的非 线性反饱和吸收性质;采用速率方程理论研究了 阴丹士林分子实现反饱和吸收的动力学过程,实验难了理论模拟的正确性.还分析了分子各能级对反饱和 吸收的贡献以及不同激光波长和脉冲宽度对反饱和吸收的影响.最后,研究人员探讨了用阴丹士林制备防激光材料的可行性. 3.学位论文 范光华 巢形团簇非线性光吸收的溶剂效应 2004 溶液中的非线性光学材料的非线性光学特性不但与自身的能级结构、电偶极矩等标志自身特性的物理量有关，而且还与它所处的溶剂有关。溶解在 不同的溶剂当中的溶质分子所感受到的局域电场以及溶质分子与溶剂分子之间的相互作用是不同的，因而同一种非线性光学材料在不同的溶剂当中的不 同非线性光学特性就值得研究。本文结合经典理论和速率方程理论建立了理论模型，分析了溶质分子自身的能级结构、电偶极矩以及溶剂的折射率对于 这种材料的非线性光学特性的影响。 在理论方面，将经典理论中的电偶极子在周期性电场作用下的受迫振动与量子理论或者速率方程理论中的能级跃迁结合起来，认为它们之间有 对应关系，分子外层电子的不同的受迫振动对应着不同的能级状念之间的跃迁，电子位移的不同也对应着电子云的不同，从而也对应着不同的分子 电偶极矩。在这个模型当中，从电极化强度入手得到溶质的折射率与吸收系数，它们都与溶剂特性有关，也与温度，电场强度，光强以及入射激光的频 率有关。在实验方面，应用z扫描技术测量了巢型团簇WOSCu(4-pic).I在三种不同溶剂中的光学非线性吸收。实验表明，溶剂的折射率越 大，团簇的非线性吸收系数也越大。 通过所建立的理论模型得到的解析表达式，解释了实验观察到的溶剂相关光学非线性吸收现象，理论分析与实验结果基本一致。 4.学位论文 邓晓旭 有机分子系统非线性吸收和非线性折射的稳态条件与动态分析 1999 该论文从微观机制出发分析激光与分子系统的相互作用,讨论了非线性吸收和非线性折射的若干客观规律.该文采用半经典的密度矩阵理论,分析了单 重态四能级分子系统的三阶非线性极化率.该文从分子单重态四能级模型出发,由速率方程的稳态解得到饱和吸收、反饱和吸收、及饱和吸收与反饱和吸 收相互转化的条件,给出了饱和吸收和反饱和吸收相互转化的阈值光强.该文还从速率方程的动态解分析了非线性吸收产生的条件及饱和吸收和反饱和吸 收相互转化的阈值光强同各能级参数的关系,稳态结论与动态分析的结果相同.并分析了反饱和吸收向饱和吸收转化的阈值光强在有机反饱和吸收材料研 制中的应用.该论从理论上对测量非线性吸收和非线性折射的连续时间分辨Z扫描方法进行了分析,并给出了C连续时间分辨Z扫描实验曲线. 5.期刊论文 邓晓旭.张学如.王玉晓.宋瑛林.刘树田.李淳飞.Deng Xiaoxu.Zhang Xueru.Wang Yuxiao.Song Yinglin.Liu Shutian.Li Chunfei 有机分子系统中反饱和吸收向饱和吸收转化的条件 -光学学报2000,20(3) 由多能级稳态速率方程导出反饱和吸收向饱和吸收转化的能级参数条件和阈值光强, 并与动态理论导出的结果作了比较, 讨论了阈值光强在光限幅 材料设计中的应用. 6.学位论文 刘大军 反饱和吸收化合物制备及其激光防护光限幅性能的研究 2005 随着激光技术的迅猛发展，激光在军事、医疗、加工等领域中的应用不断扩大，激光防护越来越受到人们的重视，现有的激光防护材料在可见光透 过率、防护视角、防护波段范围存在一定不足，为探索具有宽波段、高可见光透射率及快速响应的光限幅激光防护材料，在分析了现有激光防护原理、 激光防护技术和激光防护材料的基础上，比较详细地论述了非线性光学原理以及利用非线性光学原理的非线性折射、非线性散射、非线性反射、非线性 吸收光限幅技术及材料种类，确定利用有机非线性材料激发态反饱和吸收方案，结合Z扫描测试以三能级系统模型，通过粒子数速率方程，利用稳态条件 给出了非线性吸收以及非线性折射系数的表达式，讨论了反饱和吸收材料激发态吸收的基本理论，并简单介绍了基于激发态吸收的光限幅器件优化理论 。 本论文选择了酞菁类和卟啉类化合物作为研究对象，分别合成了不同金属配位，不同烷氧基以及不同种类含有轴向取代的12种金属酞菁化合物以及 四苯基卟啉和不同金属配位的三种金属卟啉类化合物。分别测试了金属酞菁化合物和卟啉化合物的元素分析、红外光谱、核磁共振氢谱等，通过对结构 分析，验证了化合物的分子结构。我们将AG七种酞菁类化合物和NP三种卟啉类化合物分别掺入聚合物单体(MMA)中，通过浇铸成型制备出反饱和 吸收化合物/PMMA复合材料样品；将HL五种酞菁类化合物溶解在PMMA氯仿溶液中，通过提拉成膜方法制备了酞菁/PMMA复合薄膜材料样品；将枯丁苯 氧基碘代酞菁铟掺杂到亚克力树脂中，通过注射成型制备出了掺杂酞菁的PMMA复合材料样品；同时我们以四叔丁基氯代酞菁铟/PMMA复合材料制备出了光 限幅优化器件。 我们测试了三种烷氧基酞菁铅化合物(E、F、G)/PMMA复合材料的DSC曲线，可以看出酞菁化合物的引入能够提高复合材料的玻璃化温度，提高材料的 耐热性，同时可以看到由于酞菁化合物的低聚在复合材料的DSC曲线中出现了两个玻璃化温度。 对于注射成型样品，我们进行了样品断面的SEM分析，可以看到所掺入的酞菁化合物能够均匀地分散在聚合物基质中，不存在团聚现象。 我们测试了所制备化合物和材料样品的紫外可见光谱特性，通过对比七种烷氧基金属酞菁化合物在氯仿溶液中及聚合物样品的紫外可见光 谱，可以看到酞菁化合物具有明显的B带和Q带吸收，并且Q带吸收峰的位置会随着共轭性取代基团及重原子的引入而发生红移。在聚合物材料中，由于酞 菁环的整齐排列及聚集作用，使吸收光谱变宽并向长波方向移动；卟啉化合物在400nm附近出现典型的Soret带吸收，Q带吸收在550nm附近；酞菁薄膜材 料样品紫外-可见吸收光谱B带和Q带吸收峰位置与溶液及聚合物样品类似。 我们用波长为532nm的YAG倍频调Q脉冲激光以8ns的脉冲速率测试复合材料的反饱和吸收的光限幅特性，并使用现象学的方法对叔丁烷氧基酞菁铅 /PMMA复合材料和异戊烷氧基酞菁铅/PMMA复合材料的光限幅现象进行了拟合，拟合结果与实验结果基本一致。 我们对所制备的金属卟啉化合物/PMMA复合材料样品、金属酞菁化合物/PMMA复合材料样品、注射成型材料样品及光限幅优化器件材料样品进行了反 饱和吸收性能的测试，可以看到金属酞菁材料反饱和吸收性质与金属酞菁的结构、掺入浓度及材料的制备方法有关，重金属原子、轴向重原子及空间位 阻大、共轭性强基团的引入可以提高金属酞菁的反饱吸收性能。在材料制备方法上易于采用低温、无活性物质条件下制备。注射成型的金属酞菁/PMMA复 合材料相对于浇注成型的金属酞菁/PMMA复合材料反饱和吸收性能有较大提高，并且相对于掺杂酞菁的PMMA薄膜材料样品具有更大的损伤阈值，更接近实 用化。金属卟啉类化合物同样具有较好的反饱和吸收性能，但可见光透过率较低，使其在激光防护方面的使用受到一定的影响；在相近的可见光透过率 条件下，优化光限幅器件具有更好的反饱和吸收效果，为提高和优化材料的反饱和吸收性能提供了一种新的途径。 7.学位论文 刘春玲 非线性吸收光限幅与可调谐激光防护研究 1999 该文先后对二苯乙烯类有机共轭体系的双光子吸收特性和类立方烷有机金属化合物(n-BuN)MoAgBrIS的反饱和吸