（凝聚态物理专业论文）偶氮光色材料的光学非线性研究.pdf

摘要 本论文主要研究了对物质光学非线性进行测圣的实验方法，并进一步对偶 氮材料的光学非线性性质进行了 具体的实验测量和理论分析。 本论文描述了光学非线性所产生的一些物理现象，并由此导出了 对物质光 学非线性进行测量的z - s c a n 方法，然后详细的 给出z - s c a n 方法在不存在非线性 吸收和存在非线性吸收两 种情况下的理论分析， 得到一些简 单的解析公式，表 明了 z - s c a n方法的优越性。 z - s c a n实验装里在高效光学 了提高 z - s c a n方法灵敏度的两种改进方法和 领域的应用，并由 z - s c a n方法发展了 对物质 自 身不均匀 性进行测童的y - s c a n方法。我们应用k - k变 换方法和z - s c a n方法 相结合来对物质的光学非线性性质进行分析和测量.本论文就 k - k变 换方法和 z -sc a n 方 法 分 别 编 制 了 计 算 袜序 ， 。、 实 验 数 据 的 处 理 更 加 方 便 和 可 靠 万 本论文对偶氮类材料光学非线性进行了详细的测圣和分析，由偶氮类分子 的能级结构，阐述了 其光异构的物理过程，测量了刚果红偶氮材料在不同异构 态下的吸收谱。本论文对刚果红材料进行了饱和吸收效应和反饱和吸收效应的 测量，并分别用三能级和四能级系统进行了理论上的解释，说明了饱和吸收和 反饱和吸收之间的竞争过程. 最后，本论文对刚果红材料的吸收谱进行了k - k变换，得到了其在宽波段 范围内的光学非线性性质，并在其非线性折射率变化最大的地方 5 3 5 n m处进行 了z - s c a n 测蚤，得到了刚果红材料的非线性折射率系数的实验数据. 关健词:非线性吸收，非线性折射率，光异构， 偶氮材料 a b st r a c t i n t h i s p a p e r , t h e m e t h o d o f m e a s u r in g t h e n o n l i n e a r r e fr a c t i v e i n d e x a n d n o n l in e a r a b s o r p t i o n c o e ffic i e n t w e r e s t u d i e d a n d t h e o p t i c a l n o n l i n e a r i t i e s o f a z o b e n z e n e m a t e r i a l s w e r e m e a s u r e d a n d e x p l a in e d i n d e t a i l . z - s c a n m e t h o d f o r m e a s u r i n g t h e s i g n a n d m a g n i t u d e o f n o n l i n e a r r e fr a c t i v e i n d e x n 2 w a s d e s c r ib e d . we a n a ly z e d z - s c a n m e t h o d i n d e t a i l f o r t h e s a m p l e s w it h n o n l i n e a r a b s o r p t io n a n d w i t h o u t n o n l i n e a r a b s o r p t i o n . a s a re s u lt , w e o b t a i n e d s o m e s i m p l e e q u a t i o n s t h a t s h o w e d t h e s i m p l i c i t y a n d h ig h s e n s i t i v i t y o f z - s c a n m e t h o d . t w o m o d i f i e d z - s c a n m e t h o d s t h a t c a n i m p r o v e t h e s e n s it i v i t y o f n o n l i n e a r it y m e a s u r e m e n t w e r e p r e s e n t e d . we a l s o d e v e l o p e d t h e y - s c a n m e t h o d b a s e d o n t h e p r in c ip l e o f z - s c a n m e t h o d f o r m e a s u r i n g t h e o p t i c a l in h o m o g e n e it ie s o f m a t e r i a l s . t h e o p t i c a l n o n l in e a r i t i e s o f a z o b e n z e n e m a t e r i a l s w e r e m e a s u r e d a n d a n a l y z e d in d e t a i l . we d e s c r i b e d t h e p r o c e s s o f t r a n s - c i s p h o t o i s o m e r i z a t io n a n d m e a s u r e d t h e a b s o r p t i o n s p e c t r a o f a z o b e n z e n e m a t e r i a l s i n t r a n s a n d i n c i s s e p a r a t e l y . we a n a l y z e d t h e a b s o r p t i o n s p e c t r a . t h e s a t u r a b le a b s o r p t i o n a n d r e v e r s e s a t u r a b le a b s o r p t i o n o f a z o b e n z e n c e m a t e r ia l s w e re m e a s u r e d a n d e x p l a in e d . a c c o r d i n g t o t h e a b s o r p t i o n s p e c t r a o f t r a n s a n d c i s a z o b e n z e n e a n d k - k d i s p e r s i o n r e l a t i o n s , w e c a l c u l a t e d it s d i e l e c t r ic c o n s t a n t a n d d id z - s c a n e x p e r i m e n t , a s a r e s u l t , w e o b t a i n e d i t s n o n l i n e a r r e fr a c t i v e i n d e x c o e f f i c i e n t . k e y w o r d s : n o n l in e a r a b s o r p t i o n , n o n l i n e a r r e fr a c t i v e i n d e x , p h o t o i s o me r i z a t i o n , a z o b e n z e n e 第一章绪 论 第一章绪论 1 . 1研究的意义 随着科学技术的发展，人们时光子学的研究越发重视，特别是在进入九十 年代以来， 信息呈大 爆炸式 迅猛发展， 使得对信息的 采集和传播的 速度和规模 都达到空 前水平的 情况下。因 特网上的主页以 每天 t o 万页， 近 2 0 0 。万单词的 速度递增，全球印剧信息的生产量每五年翻一翻，同时人们对信息分析精确度 的 要求也越来越高， 如天气的长期预报， 全球定位系 统的精确导航。面对着汹 涌而来的大量信息，不管是个人、企业还是国家都没有退路， 信息技术使我们 的世界更小，给我们带来了大量的机遇，同时也使企业与企业之间，国家与国 家 之间的竞争更加激烈和瞬息万变。跟上 信息时代的步 伐， 保持强大的竞争力， 充分利用机遇和挑战，大力 发展信息 技术，解决信息的获取、存储、传输、分 析和计算是每个国家 都刻不容缓的问 题.在信息技术的发展过程中，不可否认， 电子技术起了决定性作用，计算机的速度成倍的增长，网络带宽越来越宽，这 都可归功于电 子技术取得的进步和突 破。然而，随着信息量的 迅速增长， 人们 对信息处理速度的要求也越来越高，电子技术的发展在满足了需要的同时也越 来越暴露出本身固 有的局限性，达到其理论上的极限。因 此，为了 满足不断增 长的对信忽存储和计其速度的要求， 人们开始寻找新的信息的载体来克服电子 的 局限， 从而，光子作为一种优秀的 信息载体脱颖而出.和电子相比，光子具 有如下优点: ( 1 )光的频率极高。这样以光为载体可以极大的拓宽网络带宽，满足多 媒体等应用需 要对大量数据进行实时传输的需要; ( z )光与物质的 相互作用很快。可以利用光与物质的高速作用制做高速 光学器 件，实 现比 现有计算机速度快得多的光子计算机; ( 3 )光的杭电 磁千扰性强，这样可以 将光通讯用在电 磁环境比较恶劣的 场所; ( 4 )光传拾的保密性强。由于光的传检过程不对外辐射电磁波，并且光 接入很困 难，所以利用光通信可以防止信息被窃取. 正是由于光子通信的种种优点， 人们对光子学越发的重视， 人们预侧，在 下一世纪， 光子学及其相关 技术将成为影响人类生活以及整个科学 技术领城的 关 键技术之一，事实 上， 在现已 开始的 世界范围的 “ 信息 高 速公路”建设中， 光子学正发挥着重 要的 作用.基于这一事实， 光子学已 成为各国大力发展的关 健 技术.美国 政府已 确定将光子学 作为国家 发展的重点， 德国 政府把光子学确 定为下一世纪初保持德国在国际 技术市场上的 领先地位的至关重要的九大关 健 第一章绪 论 技术之一，我国也把光子学列为九五物理和信息类的重大 研究方向. 在光子学中，光和物质的非线性相互作用非常重 要，非线性光学已 成为了 光子学的一个重要分支，利用光和物质的非线性作用可以实现各种功能器件: 诸如光混频， 相位共扼，光开关，光放大，光学双稳态，光存储等。然而，为 了 进一步使非线性光学器件小型化、实用化和商品化，必须要求非线性光学器 件能在低功率的激光下运行，因此，近来国际上已 逐渐的加强对弱光非线性的 研究， 预计会在光交换， 光互 联， 光学 神经网 络， 光学计算机，空间光调制器， 高密 度光存储中 得到广泛应用。 为了制作能够在弱光下高 效而精确工作的光学器 件，必须要求材料具有很 大的非线性效应，并且要求实验手段能对材料的光学性质进行精确的测量。因 此如何寻找具有巨 非线性光学效应的材料并对材料的光学非线性性质进行精确 的测童显得越发重要。本 论文将探讨利用k - k 变换和z - s c a n 方法对物质非线性 进行测量和计算分析， 并就偶氮这种非常优秀的光学非线性材料的性质进行实 验测量和理论分析. 非线性材料的非线性主要表现在其非线性光折变n和非线性光吸收a 上，传统的测童方法主要有以下四种: 1 ) 非线性千涉法; ( 2 ) 四波简并混合法; ( 3 ) 旋转椭球法; ( 4 ) 光束扭曲法. 前三种方法的灵敏度较高，但是都需要比较复杂的 设备，最后一种方法的灵敏 度较低，而且需要对光的传输过程进行复杂的分析，它们的普遮缺点是设备复 杂， 应用 起来不方 便. 针 对于此， s h e i k -b a h a e 等 人于1 9 8 9 年提出了z - s c a n 的 浏 量 技术川， 和以 上 几 种非 线 性浏 量方 法 相比， z - s c a n 方 法 具 有 知下 优 点: ( 1 ) 基于光束的空间变形原理，使用单光束即可， 设备简 单，实施容易; ( 2 ) 具有较高的 灵敏度， 理论上可达到x / 3 0 。 的 精度; ( 3 ) 不仅能浏蚤出非线性折射率系 数，还能测量出非线性吸收系数; ( 4 ) 能 排除由于材料内 部不均匀 性带来的寄生效应; ( 5 ) 适用范围广， 对各种材料都能有效的进行测量研究。 ( 6 ) z - s c a n 测童光路本身就可以进行现实 应用，如高效光学限制器。 由于 具有以 上优点， z - s c a n作为一种简单、高 灵歌、 低嗓声的非线性光学系 数 测童方法 得到了 广泛的 应用， 并且自 身不断得到发展，从原来的只对薄样品进 行 测 童 发 展 到能 对 厚 样品 进 行 测 蚤2 1 ， 从 原来的 单 波 长 改 进为 双波 长 即 ， 从 原 来的 单光路改进为双光路。由于z - s c a n方法本质上是在单一波长对物质的非线 性进行测童，而非线性材料的非线性性质又往往与工作波长密切相关，因此使 用 乙s c a n方法时，受可利用的激光光波长的限制，只能浏圣若干处的do ，不 第一章绪 论 可能获得材料的宽波长范围内的非线性性质。因此，为了 从整个波段上把握材 料的光学性 质， 也为了 使 z - s c a n方法能工作在最灵 敏的波长附 近， 我们采用了 k - k变换的方法， 使得我们可以 从材料的吸收谱中 得到材料的 折射率随波长的 变化规律， 从而，确定z - s c a n 的最佳工作波长。 1 . 2研究的目 的和内 容 本论又将探讨偶氮材料的光学非线性隧 质，给出k - k变换和 卜s c a n 这两种 方法的理论依据，并用它们对偶氮材料的饱和吸收、 反饱和吸收、非线性效应 的波长依赖、光存储等现象进行实 验上的测量和分析。以下 是具体的工作内 容: ( 1 ) 给出x - k 变换和z - s c a n 方法的理论依据; ( 2 ) 编制用于k - k 变换和z - s c a n 的计算机程序; ( 3 ) 建立z - s c a n 的实 验装叉; ( 4 ) 结合实验数据对偶氮材料的光学非线性性质进行实验和理论上的分 析; 1 . 3 小结 本章a述了 光子学 在现实 发展中的意义， 说明了非线性光学及其浏蚤手段 的重要性，并简单概述了我们的研究内容。 第二章z - s c a n原理及 k - k变换 第二章 z - s c a n原理及 k - k变换 2 . 1光学非线性简述 我们知道，当一束光在传输过程中由一种介质进入另一种介质中时，光的 传播满足折射率公式: n , s mb 1= n 2 s mb 2 其中各参数意义如下图 ( 图2 - 1 - 1 ) 所示: 图2 - 1 - 1光在介质中的传播 对于线性介质而 言， 其 折 射率n 为 一 常 数， 此时 介质内 部n l = n 2 ，由 上式 可以 看 出，光波在在这种介质内 传播不 会发生崎变，它将保持原来的 形状在介质内 传 播。对于光学非线性介质而言，其折射率往往与入射光强相关，此时介质内部 的 折 封率不 再 是 一常 数， 如 可以 表示 为n = n , 十 丫 i ， 光 线 在这 样的 介 质中 传 播可 以等效为在穿越一系列的介质，结果使光波发生崎变。如果介质为正光学非线 性介质 ( 即介质的非线性折射率系 数y 为正)， 入射光为高斯光束，由于光强 引 起的 折 射率变 化为 n - i e i 2 ， 这 导 致 折 射 率中 间 大， 两 边 逐 渐减小， 相当 于 光束自 身造成一个会聚透镜， 使光聚焦( 如果为负 光学非线性效应，则效果恰 好相反， 产生自 散焦效应 ， 如下图( 图2 - 1 - 2 ) 所示: 光强 初始波阵面 入射高斯光束 _十 子 一 召者学 非 “ 性 al -a_ _ _ 上 ._ _ _ - 一 下 - - 一 的高斯分布 图2 - 1 - 2光束在正光学非线性介质中的自 聚焦效应 第二章 z - s c a n原理及 k - k变换 由 此可见，材料的非线性性质改变了 光波的形状，影响了 光的传播路径，最终 可以使光束发散、聚焦和畸变。与此同时，材料非线性对光束的以上种种影响 给我们提供了一种测量材料光学非线性性质的一种手段，即我们可以通过对标 准光束通过光学非线性材料后的出 射光进行分析得到材料内 部的 各种光学非线 性性质。而以下我们将要讲述的z - s c a n 方法正是利用这一观点而发展的对材料 光学非线性性质进行测量的一种简 单、 有效、 精度高的实 验手段。以下我们将 详细介绍 z - s c a n 方法的原理和实现。 2 . 2 z - s c a n简述 z - s c a n是s h e i k - - b a h “等人于1 9 8 9 年提出的对物质光学非线性性质进行 测 量的 一 种实 验 技术川，实 验装置图 如下( 图2 - 2 - 1 ) 所 示: 光闺 图2 - 2 - 1 z - s c a n 实验装里图 图 中d 1 和d z 为 光 探测 器， 入 射光 束为 塞 模激光光 束.由 上图 可 以 看出 ，当 样 品呈负 光学非线性效应 ( n e g a t i v e n o n l i n e a r i t y ) 时， 样品 相当 于一个发散镜 ( s e l 卜 d e f o c u s i n g l e n ) ， 如果 样品不 存在光学非线 性吸收，当 样品由z 轴负 方向移向焦点时， 光强逐渐增强， 导致样品的负 光学非线性效 应变大， 使光束 发散，其结果相当于光路的焦点后移， 在光阂处的光斑变小，更多的光能量进 入 探浏器d 2 1当 样品 移过焦 点 后，负 光学 非 线 性效 应的 发 散作用 使 光阑 处的 光 斑变大， 使得进 入探浏器d ; 的光能量变小， 这时测量结果 p z i p l ( p 2 , p : 分别为 d z . d l 的 读数) 应如下图( 图2 - 2 - 2 ) 所示: p z / p l 一z 图2 - 2 - 2 负 光学 非 线 性 样品的z - s c a n 曲 线 第二章z - s c a n原理及 k - k变 换 对于这样的结果曲线我们称之为 p - v曲线 ( 即峰一 谷曲线) 。同 样，如果用具 有正光学非线性效应的样品做 z - s c a n 测量， 应得到如下图 ( 图2 - 2 - 3 ) 的结果: p , / p , 图2 - 2 - 3 正光学 非线性 样品的z - s c a 。 曲 线 对于这样的结果曲线我们称之为v - p 曲线 ( 即谷一峰曲线) ， 以上对 z - s c a n的简 单分析没有考虑样品非线性吸收的影响，非线性吸收 的存在将导致土述p - v 或v - p曲线的变形， 但通过上述简单的分析， 我们可以 看出 z - s c a n的结果曲线确实反映了 样品的光学非线性性质， 如果能够找到实 验数据与样品光学非线性的关系，就可以由实验结果获得样品的光学非线性参 数。以下我们将对 z - s c a n过程进行详细的理论分析，给出z - s c a n实验曲线与 样品非线性折射率系 数的关系，并给出消除样品非线性吸收效应的方法。 2 . 3 z - s c a n 技术的理论分析 对于光学非线性介质而言， 其折射率往往与入射光强相关 ( 即具有三阶 非 线 性) ， 其 折 射率 可用下 式 表 达川 : n =刀。 十 刀 2 e ! 2 = ， 0+y i ( 2 - 3 - 1 ) 实 验所用光束为 基模激光光束 即高 斯光束卜 e ( z , r , t ) =e 0 ( t ) w ( z ) e x p 卜 r 2i k r (o 2 ( z ) . e x p - i fi ( z , t ) ) ( 2 - 3 - 2 ) 式中e a ( t )二e ( x = 0 , y = o , z = o , t ，其余符号为: r 2 二 x 2 + y 2 k二2 二 / a 第二章z - s c a n原理及 k 一 k变 换 0 ) ( z ) r ( z ) 二 。 。 价+ ( z / z . y =z l +( z o / 二 ) ) 2 i 八 = : 十 z 0 20 八 艺 。二汀 z 7 。 在实 验中 ， 我 们 使用的 样 品的 厚度l 要 远 远小 于高 斯 光束的 共焦 参 数z a ， 即l : 。 的 远场 条件满 足， t ( z ) 的 形 状和 大小不会依赖于波长和光路的几何结构，并且可以得到以下经验公式: a z ; 一 ， “ l 7 z v ( 2 一 3 一 2 7 ) 当5 0 时 有: a t p - ， 二 0 .4 0 6 1a (p a i ( 2 - 3 - 2 8 ) 当5 增 大 时 ， d t p - v 与 。 。 仍 是 线 性关 系 ， 且当 ! 中 。 ! 穴 时 ， 误 差 不 超 过5 %，可由数学拟合得到以下公式: a t ， 一 ， 一 0 .4 0 6 ( ， 一 “ ) 。” ， ja fi3 。 ， 。 、 二 ( 2 - 3 - 2 1 ) 由 上 式 可 以 看出 ， 知 果 对 t p - v 的 浏 量 可以 达 到1 / 1 0 。 的 精 度， 则d (d 。 的 计 算 可达到? , / 2 5 0 的精度，即 0 . 0 2 4 弧度。由此可见，用 z - s c a n 侧童材料的非线 性折射率是精确度很高的一种测量方法。 2 . 3 . 2考虑材料非 线性吸收时的情况 以上在我们的讨论中忽略了样品的0线性吸收，而实际上， 某些非线性效 应很大的材料拄往伴随着 很大的非线性吸收，以下我们将讨论材料的非线性吸 收对z - s c a n测量带来的影响，并寻求一种将它从卜s c a n测量数据中排除的方 法。 一般而言，非线性吸收对透镜的焦点 z = 的 应是对称的，如果材释存在 反饱和吸收，其在焦点处达到最小 透过率，结果 使 z - s c a n曲线的 峰下降，而 谷更深、 如莱材料存在饱和吸收，其在焦点处达到最大透过率，结果使 z - s c a n 曲线的谷上升，而 峰更高。 严重的化， 将使 z - s c a n曲线的峰和谷融合在一 起， 无法测量。此时材料的吸收系 数不能近似为常数，其与光强有关， 应写为下式; a( i)= a + 刀i ( 2 - 3 - 3 0 ) 其中0 为非线性吸收系 数 由: d l d = 一( a 十 刀1) i 第二章7 - s c a n原理及 k - k变换 解得: 1 1 )6 、 二 ; 二 一 i一 u != “ a戈 i a+x 3 1少 因此: i 二 a+ 。 1 。 e x p卜a /3 1 。 ( 1 一 e x p 1一卜 ( 2 - 3 - 3 1 ) 此时样品的出 射表面处的光强分布可写为: i 。 ( 二 ， r ， t ) 1 ( z ， r ， ) e x p卜a l :二一， 一一 1 +刀 i ( : ， r ， t ) l e q ( 2 一 3 一 3 2 ) 令: ， ( ， r ， t ) =刀 i ( z ， r ， t ) l eff ( 2 - 3 - 3 3 ) 将式 ( 2 - 3 - 3 2 ) 代入n = y i 中，结合式 ( 2 - 3 - 8 ) ，得到: a i o e x p -a l 11 -1 1 a 中气 艺 ， r ， 曰二/一， 二寸 一 万 一 一 二 二 一 了 r 了 11 rn u t a + p1 。 k 1一 u x p l a i j ) 由此可解得: 中 ( z ， r ， t )=竺 i n 16 1 +、 ( z ， r ， ， ) ( 2 - 3 - 3 4 ) 结合式 ( 2 - 3 - 3 2 ) 、 ( 2 - 3 - 3 4 )， 样品出 封表面处的光场分布可写为: e q 二 e ( “ ， ” ， ) e x p 卜 a 五 / 2 孙十 。 产 r / ,6 一 1/ 2 ) ( 2 - 3 - 3 5 ) 由上式可以看出，当没有非线性吸收 ( 即0 = a )时，式 ( 2 - 3 - 3 5 ) 便可以简化 为式 ( 2 - 3 - 1 6 ) 。同样，当i g l 1 时，方程可以展开: e e e ( z , ， ， ， ) e x p 卜 a l / 2 八妇勺 d.1 + n - 勺 /z 心.工 - q ( z , r , t ) m? 11( ik y 1 q ( 2 - 3 - 3 6 ) 。艺 时比式 ( 2 - 3 - 2 2 ) ，将其中的: 第二章 z - s c a n原理及 卜k变 换 ( l a (d。 执 ) ) m ! 替换为: f m= f a = (fa (d 0 (z ,o , t) )- 介 m 里n = o 1 ， + y(2 。 一 ，) 典踌 l g i z y少 即 可 计算出 光闺 处 的 光场 分 布b a ( z , r , t ) 。当 移 走光 阂 后， 了 二 仅仅 是 吸收系 数 的函 数， 此时 s = 1 ， 对光通量的积分不需要在 : 二a 处进行， 仅在样品的出 射表 面积分即可。此时有: f( z ， t )= 。 ， 、 _ _ _ . ， l in 1 +q 。 ( : ， t ) 厂八 止 ) 入 p 厂 “l q。 t z ， f ) q 。 ( “ f ; ( t ) ， t )= + : / : 。 ) 二刀顶 fl i o ( ) l 8ff / ( ， 。 i d ( ， ) / 2 时于高 斯脉冲光束， 叶上式进行 积分可以求得t ( z , s = 1 ) 为: t ( 二 ， s=1 ) “ 1 石奋 o ( z ,d ) 小1 + q a (z ,o ) e x p ( 一 。 p t ( 卜3 - 3 7 ) 当! q j : 2 ， ， t 2 1 t 2 3 8 1 。 这 样 ， 在 强 光 作 用 下 ， 大 量 的 粒 子 最 终 积 累 在t ， 态 上 ， 导 致 饱 和吸收现象。整个过程的动力学方程可表示如下: 口n i， 、 _ = 一吸 i v: 一 by : _n 2 _n 3 n ，n , n2 ) 一一一一 不 2 1不 2 3 n = 公 2 3 t 3 1 n1 +n2 +n 3 ( 3 - 2 - 1 ) 洲一由拼一由 式中n 为总粒于数密度，i 为入射光强。当系统处于德态时有下述条件成立: a n 。_ a n ;。 - 一 - 二 -= u， = u 日t 口t 令 c =，经推导得: 第三 幸 偶氮高 分于 材 料的光 学非线 性研究 c t 2 1 t 2 3 n 2 ct 2 l t 2 3 + c t 2 1 1 3 1 + t 2 3 + t e l c t 2 1 t 2 3 n+t 2 3 n+t 2 1 n 2 c t 2 l t 2 3 + ct 2 l r 3 l + z 2 3 +t 2 1 c t 2 1 t 3 1 n 2 c t 2 l t 2 3 + c 1 2 l r 3 1 +1 . 2 3 + t e l ( 3 - 2 - 2) 因为t 3 1 x 1 t 2 1 , t 2 1 ) ) t 2 3 ，上式可简 化为: n1 “ t 2 1 n n n t e l + c t 2 1 t 3 l 1 十 c t 3 1 1 + 二 i s n2 “ n3 二 23 n= 0 t 3 l ( 3 - 2 - 3 ) c t 2 1 t 3 1 n _c t 3 1 n_ n c z 2 1 t 3 l +t 2 1 1 +c t 3 1 式中i , = hf 口0 r 3 1为饱和光强.进而吸收系数a 可表示为: a。 “澎 1 v ， j “ 二 一 甲万 一 1 + ( 3 - 2 - 4) i s 由 此可以看出 ，当 光强逐渐增加时， n l - 0 , n 3 - n .即 在强光作用下。大 部分 粒子从基态能级转移到三重激发态能级，导致吸收系数a 的不断减小，从而产 生了 饱和吸收现象.式 ( 3 - 2 - 4 ) 的函数图形如图 ( 3 - 2 - 9 ) 所示。 对于刚果红材料的 t r a n s态而言，用波长 4 4 3 n 。的激光照射产生的饱和吸 收现象( 图3 - 2 - 4 ) 意 味着大童的分子从t r a n s - s 。 能级积累 到t r a n s - t , 能级一， 之后再异构化到c i s - s a 能级上， 产生光异构化现象， 样品变蓝.对于刚果红材 料的 c i s态而言，用波长 6 3 3 n m的激光照射产生的饱和吸收现象 ( 图 3 - 2 - 6 ) 意味着大黄的分子从 c i s - s o 能级积y ? 到 c i s - t , 能级上，之后再异构化到 t r a n s - t ， 能级上，样品恢复为t r a n s 结构，变为红色. 第三章 偶氮高分子材料的光学昨线性研究 (on划哥)氮喊澎彭 沼虽 ( 单 位 1 s ) 图3 - 2 - 9三能级系统的理论吸收曲线 作为 对比， 利 用 公式t二 e x p - a l ( 式中t 为 透过 率， l 为 样品 的 厚 度， 这里 为 0 . 0 5 m m , a 为样品的吸收系 数 ，我们对图 t 3 - 2 - 5 ) 进行从透过率到吸收系 数的变换，如下图 ( 图3 - 2 - 1 0 ) 所示: if + 破 r f, 腼沁31铃27拓邓舒川 昌撅峨孚彭 0 2 0 0 0 0 4 0 0 0 0 入射光强 8 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 图3 - 2 - 1 0 4 4 3 n m 波长下样品吸收系数随光强的变化 对比图 ( 3 - 2 - 1 的 和图 ( 3 - 2 - 9 ) ，我们可以看出理论和实脸数据吻合的很好， 这表明了理论的正确性。 3 . 2 . 5刚果红材料的反饱和吸收现象 刚果红材料不仅存在着饱和吸收现象， 在一定的条件下 ( 如波长的改变， 照射光强的进一步增大) 它也会产生反饱和吸收现象，即随着入封光强的增加， 材料的透过率又突然减小。 我们用波长 5 3 5 n 。的激光器时开始为 t r a n s态的样 品进行无小孔 z - s c a n实验的测黄， 照射光功率 1 3 m w ，此时测到了刚果红材料 第 三章 偶氮高 分子 材料的光学昨线 性 研究 的反饱和吸收现象，如下图 ( 图3 - 2 - 1 1 ) 所示: 二 !一1|，es!味!土 尸口血d 矽众 0 a 锌每蝴 一we一- . i s 样品位置 z ( m m ) 图3 - 2 - 1 1 5 3 5 n m 波长下的反饱和吸收曲线 由图中可见，随着样品向透镜的焦点移动 ( z = 0处) ，材料的 透过率一开始呈 现增大的现象， 这是材杆的 饱和吸收现象，然而，随着进一步移向焦点， 样品 的 透过率突然下降， 并且由 样品经过焦点后透封率的回升可以排除样品 被强光损 坏的可能性。我们所用 5 3 5 n 。的激光的在焦点 ( z = 0 ) 处的束腆半径为 0 . 0 5 m m , 利用此参数可得到透过率与光强的关系 如下图( 图3 - 2 - 1 2 ) 所示: 0 . 4 5 出现反饱和吸收 4d介jd ，口j吟2 八u月0 u0 盯、乞错摄绷 0 . 2 一 2 5 0 0 0 0 0 _ 川一一. 2 7 0 0 0 0 0 2 9 0 0 0 0 0 3 1 0 0 0 0 03 3 0 0 0 0 0 3 5 0 0 0 0 0 入 射 光 强 ( w / m 2 ) 图3 - 2 - 1 2 5 3 5 n 。 波长下样品透过率随光强的变化 由图中 可以看出， 随看入射到样品上的光强逐渐增大，样品在经过一段饱和吸 收区，透过率突然下降，这表明样品出现了反饱和吸收效应.为了更明显的显 示饱和吸收现象的存在， 我们在低光强下用同样的条件进行测量，结果如图 ( 3 - 2 - 1 3 ) 所示.以下我们将就刚果红材料的反饱和吸收给出理论上的解释， 进一步理解刚果红材料的反饱和吸收效应以及其和饱和吸收效应之间的竞争过 程。 第三章 偶氛高分子材料的光学补线性研究 灼十|11!三1 石光强增大时 的透过率的 实验数据 fll乏1. 0 . 3 9 0 . 3 7 0 . 3 5 0 . 3 3 0 . 3 1 0 . 2 9 0 . 2 7 1心哥划绷 0 2 0 0 0 0 4 0 0 0 0 6 0 0 0 0 5 0 0 0 0 光强 w/m7 图3 - 2 - 1 3 5 3 5 n m 波长下 样品透过率随光强的变 化 3 . 2 . 6反饱和吸收现象的理论解释 反饱和吸收主要是由材料的激发态能级参与吸收而引起的，其可以用一个 五能级模型来描述。为了更能 说明问 题，我们简 化了 五能级模型，用一个四能 级棋型来进行描述，如下图 ( 图 3 - 2 - 1 4 ) 所示: t 4 3 一 、t ” 二 、- r t 3 1 图3 - 2 - 1 4反饱和吸收的四能级模型 第三章 偶氮高分于 材针的光学昨线性研究 图 中t 2 1 1 t 2 3 t 3 1 t 4 3 为 系 间 窜 越 时 间( 即 弛 像 时 间) ， n 1 . n 2 , n 3 , n ; 分 别为 处于 各能 级的 粒 子 数密 度，。 。 为 基态s o 的 吸收 截面，。 t 为 三 重 态t , 的吸收截面。 在适当 须率的光波照射下，处于 基态能级 s 。 中的分子吸收光子跃迁至单重 少态 激 发态 能 级 5 , ， 再以 很大 的 几 率( t 2 3 的 倒 数) 弛 像到 三 重激 发态能 级t i , i 杜子 从单 重激 发态能 级回 到 基态能 级s p ( 弛 豫时 间t 2 p 。 由 于 从t ， 回 到s , 属于自 旋禁 止 跃迁， 因 此 其 弛 豫时间? 3 1 很长 。 因 此， 我 们 可以 认为下 3 1 t 2 1 ? t 2 3 , t 3 1 ; 续参与吸收， 从 t 1 t ; ， l8 1t 4 3， 在 强 光 作 用 一 ， 大 量 的 粒 子 积 累 在t ， 态 上 r z 1 , 并且继 态 向更 高 的 三 重激 发态t 2 跃迁 .当 在t ， 态 的 吸收 截面。 t 1 a 。 时， 就可出 现反 饱和 吸收现象 。整个 过 程的 动力 学方 程可表示 如下: n 琪(n ， 一 n 2 ) 一2 一2 力f丁 2 1 t 2 3 n + n 4 f 4 3 ( 3 - - 2 - 5 ) 叽一次丛?飒一、 n= n 、 十 n : 十 n : 十 n 4 式中n 为总杠子数密度，t 为入射光强。当系统处于穗态时有下述条件成立: a n 2 _ 0 ， 旦 n 3 一 。 ， at一 口t a = 0 _汀。 1 。 令c , , 二 ， 七 ， = b y a , . 1， 并 且由 于t 3 1 ; t 2 1 , t 2 1 a t 2 3 , t 3 1 t 4 ， 的 条件进行简 化， 可求得如下结果: ( 3 - 2 - 6) 对比式 ( 3 - 2 - 3 )，我们不难看出，稳定后的四能级系统的分子分布与穗定的三 第三章 偶氮高分子材料的光学昨线性研究 能级系 统一样。然而， 这并不意味着它们的吸收表现也相同，与三能级系 统不 同的是四能级系 统的三重激发态 t 、 也存在着 一 时入射光于的吸收，因而吸收系 数 a应写为: a二n, a 。 +n3 ut( 3 - 2 - 7) 带入式 3 - 2 - 6 ) 得到: a = a0 卜k 二 1 , l + 二 ( 3 - 2 - a ) i s 式 中 i : 二 也 生， k - 60 r 3 i a - , a 。 二 n a , 。 口。 吸收系 数( x 按式 ( 3 - 2 - 3 ) 可用下图 ( 图3 - 2 - 1 5 ) 表示: 由 图( 3 - 2 - 1 5 ) 可以 看出 ，当k l ( 即6 t l ( 即a 5 .7 4 0 ) 时 ， 结 果 表明 随着 入射光 强的 增大 ， 系 统的 吸收系 数也随 之增大: 最大 可 趋于k a o ， 表现出了 反饱和吸收 现象。 - a - k = 4 0 一 今 -k 司 5 - 旧 一k = 1 - a -k 1 . 5 一 召一k - 2 。划姆彭服婪咨 j 1 t l d 虽 ( 单 位 i s ) 图 3 - 2 - 1 5 对于刚果红材料的 吸收现象 ( 图 3 - 2 - 1 2 ) t r a ns 四能级系 统的理论吸收曲线 态而言，用波长 5 3 5 n m的激光照射产生的反饱和 意味着大 量的分子从 t r a n s - s o 能级积系 到 t r a n s - t 能 级上，之后再向更高的三重激发态t r a n s - t i 能级 上跃迁和吸收光于的过程。 观察图 ( 3 - 2 - 1 3 ) ， 我们发现刚果红材料在 5 3 5 n m波长处并不是简单的表 第三章 俩氮高分于材料的光学井线性研究 现为反饱和吸收现象。其一开始表现为饱和吸收现象，到一定的光强时才开始 表现出 来反饱和吸收现象， 这说明刚果红的 饱和吸收与反饱和吸收过程存在着 竞 争， 进一步 可由t r a n s - t : 能 级的 吸收 截面0 : 与 光强的 相关 性进 行 解释: 刚 果 红 分 子的 饱 和吸 收与 反 饱和 吸收 之间 的竞 争归 根 到 底就 是处 于 t r a n s - t ， 能 级 的 分子向更高 的 三重态能级 t r a n s - t 2 跃迁 和向 c i s - s 了 能级光异构化跃迁的竞 争， 在 这个 竟 争 过 程中t r a n s - t ， 能 级 上 的 振 动 能 级 起了 关 健的 作用， 如 下图( 图 3 - 2 - 1 6 ) 所示: t r a n s - t 2 一 田 3 一 2 一 1 6振动能级对饱和与反 饱和吸收的影响 而吸收截面可由下式表示: 2. 3 0 2 6 - c 口二 n ( 3 - 2 - 4 ) 式中 为 摩尔 消光系 数， 。为 处于能 级 t ， 上的 分子的 摩尔 浓 度， n为 总的 摩尔 分子 数.当 入射尤强 较弱时， 分子大多 都处于t r a n s - t ， 态 振动能 级的 低能 级部 分， 此时入封光于的能1不足以激发分子到更高 的激发态能级 t r a n s - t 2 上去. 虽然处于高 振动能级上的 分于可以吸收光子跃迁 到 t r a n s - t 2 激发态能级上， 但 由 于 其 数量小 ， 这 表 现在式 ( 3 - 2 - 4 ) 中 为。 较小， 所以 从整 体来 看， 此时t r a n s - t 2 能 级的 吸 收 截面(f t 很小， 竞 争不 过t r a n s - t ， 到 的。 i s - s o 光 异 构过 程， 结果 是 饱和吸收占优势。此后。随着入射光强的增加，遵循玻尔兹灸定理的作用， t r a n s - t 1 上的分子逐渐向高 振动能级上积聚， 使得有更多的分子可以吸收光子 跃 迁 到 t r a n s - t 2 能 级上， 这 表 现为 式( 3 - 2 - 4 中c开 始 增大 ， 此时 从整 体来 看， t r a n s - t : 能 级的 吸收 截面。 : 开 始随 着 光强 的 增大而 增大 。当。 : 增大 到 足 以和分子的光异构过程相杭衡的时候，反饱和吸收现象便显现出未. 第 三章 偶氮高 分子材 料的光学 非线性 研究 3 . 2 . 7 k - k变换 以上我们时刚果红材料的不同异构体的吸收差异进行了浏i，并讨论了由 此而产生的各种光学非线性吸收现象。然而， 对于一种光学非线性材料而言， 人们往拄更加关注折射率的非线性表现 ( 即光折变效应) ，光折变的大小成为 衡量一种材料光学非线性大小、是否具有实用价位的主要参数之一。为了 对刚 果红材料的非线性折射率的大小进行研究，我们首先时已浏量的材料的吸收谱 ( 图 3 - 2 - 2 ) 用上一章所讲的 k - k变换的方法进行处理，得到材料的非线性折 射率和波长的依赖关系，从而可以确定材料的光折变效应最大处的工作波长. 对图