（光学工程专业论文）一种dmit类金属有机配合物的光限幅特性研究.pdf

；而 l _ 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：旌冶h期： 垒里丝，墨丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：廑滥导师虢囊 l 目录 中文摘要：l a b s t r a c t 3 符号说明5 第一章绪论。6 1 1 什么是光限幅6 1 2 光限幅器件的基本要求7 1 3 本文的研究目的和主要内容。7 第二章光限幅的研究现状9 2 1 光限幅材料的限幅机理9 2 2 基于非线性光学原理的光限幅技术一l o 2 3 非线性光限幅材料简介一1 3 2 3 1 无机光限幅材料1 3 2 3 2 有机光限幅材料1 4 第三章z 扫描理论简介1 9 3 1 测量材料三阶非线性光学性能的常用方法。1 9 3 2z 扫描方法的理论推导1 9 3 2 1 闭孔z 扫描的理论推导2 1 3 2 2 开孔z 扫描的理论推导2 4 第四章实验、结果及分析2 7 4 1e t c u 样品的合成。2 7 4 2e t c u 的光限幅实验。2 9 4 3e t c u 的开孔z 扫描实验3 0 4 4e t c u 的光限幅机理分析3 3 4 5e t c u 非线性响应时间的测量3 5 第五章总结3 8 参考文献：4 0 致谢5 0 攻读硕士期间发表的文章5 2 2 山东人学硕士学位论文 t a b l eo fc o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t 1 e n g l i s ha b s t r a c t 3 s y m b o li n t r o d u c t i o n 5 1 1 c o n c e p to f o p t i c a ll i m i t i n g 6 1 2 b a s i cr e q u i r e m e n t so f o p t i c a ll i m i t i n gd e v i c e s 7 1 3 m a i nc o n t e n t so f l l 圮d i s s e r t a t i o n 7 c h a p t e r 2s t a 矾，so fo p n c a l l i m i t i n g 9 2 1 m e c h a n i s mo f o p t i c a ll i m i t i n gm a t e r i a l s 9 2 2 0 阱i c a ll i m “i n gt e c h n o l o g yb a s e do nn o i l l i n e a ro p t i c a jp 血c i p l e s l 0 2 3 i n t r o d u c t i o no f n o n l i n e a r o p t i c a ll i m i t i n gm a t e r i a l s 1 3 2 3 1 i n o r g a n i co p t i c a ll i m i t i n gm a t e r i a l s 1 3 2 3 2 o r g a n i co p t i c a ll i m i t i n gm a t e r i a l s 1 4 c h a p t e r3i n t r o d u c t i o no fz s c a nt e c h n i q u e 19 3 1 c h a r a c t e r i z a t i o nm e t h o d so ft h et h i r d o r d e rn o n l i n e a ro p t i c a lm a t e r i a l s 19 3 2 p r i n c i p l eo f z - s c a nt e c h n i q u e 1 9 3 2 1 c l o s e d a p e r t u r ez s c a n 2 1 3 2 2 o p e na p e r t u r ez s c a n 2 4 c h a p t e r4e x p e r i m e n t , r e s u l t a n da n a l y s i s 2 7 4 1 s y n t h e s i so f e t c us a m p l e 2 7 4 2 o p t i c a ll i m i t i n ge x p e r i m e n to f e t c u 2 9 4 3 o p e n a p e r t u r ez s c a ne x p e r i m e n to f e t c u 3 0 3 山东人学硕十学位论文 4 4 a n a l y s i so fe t c u so p t i c a ll i m i t i n gm e c h a n i s m 3 3 4 5 m e a s u r e m e n to f e t c u sn o n l i n e a rr e s p o n s et i m e 3 5 c h a p t e r5c o n c l u s i o n s 3 8 r e f e r e n c e s 4 0 a k n o w l a g e m e n t s 5 0 p a p e r sp u b l i s h e d 5 2 4 中文摘要 随着激光技术的发展，各种超快激光相继出现。激光光束的功率密度很容易 达到几百g w c m 2 ，甚至更高。在这种高强激光的作用下，人的眼睛很容易受到 伤害，各种光学探测器也很容易被激光光束打坏。为了解决这一实际应用中所面 临的问题，人们提出了激光防护的概念。研制适合实际应用的光限幅器件，成为 了一个人们迫切需要解决的问题。新一代的光限幅器件与非线性光学材料密切相 关。性能优良的光限幅器件要求非线性光学材料具有高的线性透过率，低的非线 性透过率，低的起始限幅阈值，高的截止光强，大的抗光损伤阈值，超短的响应 时间，足够宽的限幅波段等。近年来，虽然国内外的刊物上有大量的关于非线性 光学材料及其光限幅性能的论文发表，但是找到非常理想的可用于制作实用器件 的非线性光学材料依然任重而道远。 为了探索适用于光限幅器件的性能优异的非线性功能材料，本文研究了一种 新型的d m i t 类金属有机配合物【( c 2 h 5 ) 删2 c u ( d m i t ) 2 】( 二( 四乙基铵) 双 ( 4 ，5 一二硫基一1 ，3 二硫杂环戊烯2 硫酮) 铜，简称e t c u ) 。该材料的分子结构具 有万电子共轭体系，离域万电子可以大大加强其三阶非线性光学特性。e t c u 的 三阶非线性光学特性系初次被报道。我们希望通过研究该材料在激光脉冲下的光 限幅性能和分析相应的三阶非线性光学参数，为材料的设计和合成提供依据，为 光限幅器件的制作提供准确的材料性能参数。 一 本文所作的主要工作如下： 第一，我们合成了一种新型d m i t 类金属有机配合物e t c u ，配制了其 浓度为1 0 x 1 0 0m o l l 的乙腈溶液，并采用透射法在波长1 0 5 j 赫，脉宽1 8 n s 激 光下选择不同的样品厚度( 2 m m 、5 m m 、1 0 m m ) 进行了光限幅实验，得到了限 幅曲线，求出了限幅阈值。实验结果表明，e t c u 在近红外波段对脉宽为纳秒量 级的激光脉冲有比较优秀的光限幅性能。 第二，我们给出了利用z 扫描方法研究材料的三阶非线性光学性质以及计算 材料的非线性折射率、非线性吸收系数的比较详尽的理论推导。 第三，为了研究e t c u 的非线性吸收特性，我们对浓度为1 0 x 1 0 。m o l l 的 e t c i l 乙腈溶液在波长1 0 5 3 n m ，脉宽1 8 n s 激光下进行了样品厚度为2 m m 的开孔 z 扫描实验，测出了它的开孔z 扫描图像，拟合出了它的开孔z 扫描曲线，求得 了它的非线性吸收系数声，并根据开孔z 扫描图像及其拟合曲线，对e t c u 的光 限幅机理进行了分析，发现e t c u 在纳秒脉冲下的光限幅效应主要来源于它的反 饱和吸收。 最后，我们用飞秒分辨光克尔法测量了e t c u 乙腈溶液的非线性光学响应时 间。实验结果表明，e t c u 的非线性光学响应时间非常短，只有2 2 7 飞秒。 通过研究，我们发现e t c u 具有较大的非线性吸收系数和短的非线性响应时 间，在光限幅方面具有潜在的应用价值。 鲁 本研究工作得到了国家自然科学基金( 批准号：6 0 7 7 8 0 3 7 、5 0 7 7 2 0 5 9 ) 的 支持。 关键词：光限幅；d m i t 金属有机配合物；z 扫描；反饱和吸收 2 一一一一些东人堂硕一t = 学位论文 j 皇量置量量置置量詈詈詈詈曩量鲁鲁詈詈晕詈鼍昌昌詈詈置量量量量皇曹詈量暑量| 量詈詈置皇l a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl a s e rt e c h n o l o g y , v a r i o u su l t r a f a s tl a s e ra p p e a r e do n e a f t e ra n o t h e r 叻ep o w e rd e n s i t yo fl a s e rb e a mc a ne a s i l yr e a c hh u n d r e d so fg w c m 2 o nt h i sc o n d i t i o n , n a k e de y e sa r ee a s yt og e th u r ta n dt h eo p t i c a ld e t e c t o r sa l s oe a s yt o b ed a m a g e d i no r d e rt or e s o l v et h i sp r a c t i c a l p r o b l e m , t h ec o n c e p t i o no fl a s e r p r o t e c t i o ni sp r o p o s e d t h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a ll i m i t i n gd e v i c ef o rp r a c t i c a l a p p l i c a t i o nb e c o m e sap r o b l e mt h a tn e e d st ob er e s o l v e du r g e n t l y t h eo p t i c a ll i m i t i n g d e v i c e so fn e wg e n e r a t i o na r ec l o s e l yr e l a t e dw i t ho p t i c a ln o n l i n e a rm a t e r i a i s t h e o p t i c a ll i m i t i n gd e v i c e s 、析t l le x c e l l e n tp e r f o r m a n c ed e m a n dt h en o n l i n e a ro p t i c a l m a t e r i a l s 、) i ，i t l ll l i g hl i n e a rt r a n s m i s s i o n , l o wn o n l i n e a rt r a n s m i s s i o n , l o wo p t i c a l l i m i t i n gt h r e s h o l d ，l a r g ec u t o f fi n t e n s i t y , l a r g eo p t i c a ld a m a g et h r e s h o l d ，u l t r a f a s t r e s p o n s et i m ea n ds u f f i c i e n tl i m i t i n gb a n d 一、j i ，i me t c a l t h o u g hal a r g en u m b e ro f p a p e r sa b o u tn o n l i n e a ro p t i c a lm a t e r i a l sa n di t so p t i c a ll i m i t i n gp r o p e r t i e sa r e p u b l i s h e di nr e c e n ty e a r s ，t h e r es t i l lh a v eal o n gw a yt of i n di d e a ln o n l i n e a ro p t i c a l m a t e r i a l st h a tc a l lb eu s e dt om a k e p r a c t i c a ld e v i c e s i no r d e rt or e s e a r c hn o n l i n e a rf u n c t i o n a lm a t e r i a lw i t he x c e l l e n tp e r f o r m a n c e w h i c hc a nu s et om a k eo p t i c a ll i m i t i n gd e v i c e s ，ak i n do fn e wo r g a n o m e t a l l i cd m i t c o m p o u n d ( c 2 h s ) 4 n 2 c u ( d m i t ) 2 】( 2 ( t e t r a e t h y l a m m o n i u m ) b i s ( 4 ，5 一d i s u l f i d eb o n di n l ，3 - d i t h i o l e 一2 - t h i o n e ) 一c u ；a b b r e v i a t e d a se t c u ) w a si n v e s t i g a t e d t h em o l e c u l a r s t r u c t u r eo fd m i tm a t e r i a l sh a s 万e l e c t r o n - c o n j u g a t i o n s y s t e m d e l o c a l i z e d 万 e l e c t r o n sc a l lg r e a t l ys t r e n g t h e nt h et h i r d o r d e rn o n l i n e a ro p t i c a lp r o p e r t i e so fd m i t m a t e r i a l s i t sf i r s tt i m et h a tt h et h i r d o r d e rn o n l i n e a ro p t i c a lp r o p e r t i e so fe t c ua r e r e p o r t e d b ys t u d y i n gt h eo p t i c a ll i m i t i n gp r o p e r t i e sa n da n a l y z i n gt h et h i r d - o r d e r n o n l i n e a ro p t i c a lp a r a m e t e r so fe t c u , w eh o p et h a tw ec a np r o v i d eb a s i sf o rt h e d e s i g na n ds y n t h e s i so fm a t e r i a l sa n dp r o v i d ea c c u r a t ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sf o r t h e p r o d u c t i o no fo p t i c a ll i m i t i n gd e v i c e s m y m a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , w es y n t h e s i z e dan o v e lo r g a n o m e t a l l i cc o m p o u n d ：e t c ua n dp r e p a r e di t s 3 s o l u t i o ni na c e t o n l t r i l ew i t hc o n c e n t r a t i o no f1 o xlo 。m o l l w ec a r r i e do u ti t so p t i c a l l i m i t i n ge x p e r i m e n t 、析t l ld i f f e r e n ts a m p l et h i c k n e s su n d e r18a sl a s e rp u l s ew i d t ha t 10 5 3n l n ，o b s e r v e di t s o p t i c a ll i m i t i n gc u r v ea n dc a l c u l a t e di t so p t i c a l l i m i t i n g t h r e s h o l d t h er e s u l ts u g g e s t st h a te t c uh a sg o o do p t i c a ll i m i t i n gp r o p e r t i e sf o r n a n o s e c o n dp u l s ei nt h en e a ri n f r a r e db a n d s e c o n d l y , t h ed e t a i ld e d u c t i o no fz - s c a nf u n c t i o n , t h em e t h o dt om e a s u l e n o n l i n e a rp r o p e r t i e so fm a t e r i a la n dt h em e t h o dt oc a l c u l a t en o n l i n e a rr e f r a c t i v ei n d e x a n dn o n l i n e a ra b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tw e r eg i v e n t h i r d l y , i no r d e rt os t u d yt h en o n l i n e a ra b s o r p t i o np r o p e r t i e so fe t c n , w e c a r r i e d o u to p e n - a p e r t u r ez s c a ne x p e r i m e n tw i m2 m ms a m p l et h i c k n e s su n d e r18 n sl a s e r p u l s ew i d t h a t10 5 3 r i m w eo b s e r v e di t so p e n - a p e r t u r ez s c a ni m a g e ，f i t t e di t s o p e n - a p e r t u r ez s c a nc u r v ea n dc a l c u l a t e di t sn o n l i n e a ra b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tp u s i n g i t so p e n - a p e r t u r ez - s c a ni m a g ea n df i t t i n gc u r v e ，w ea n a l y z e dt h e o p t i c a l l i m i t i n gm e c h a n i s mo f e t c u t h er e s u l ti st h a tt h eo p t i c a ll i m i t i n gp r o p e r t yo fe t c ui s c a u s e db yr e v e r s es a t u r a b l ea b s o r p t i o n ( r s a ) l a s t l y , u s i n gf e m t o s e c o n d r e s o l v e do p t i c a lk e r rg a t em e t h o d ，w em e a s u r e dt h e n o n l i n e a ro p t i c a lr e s p o n s et i m eo fe t c u a c e t o n i t r i l es o l u t i o n t h er e s u l ts h o w st h a t t h er e s p o n s et i m ei ss h o r t ，o n l y2 2 7 f s a l lt h eo u t c o m e ss u g g e s tt h a te t c uh a sp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nt h eo p t i c a l l i m i t i n gf i e l d o u rw o r ki s s u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fp r c h i n a ( g r a n tn o 6 0 7 7 8 0 3 7a n dn o 5 0 7 7 2 0 5 9 ) 4 k e yw o r d s ：o p t i c a ll i m i t i n g ； z - s c a nt e c h n o l o g y ； d m i t o r g a n o m e t a l l i cc o m p o u n d ； r e v e r s es a t u r a b l ea b s o r p t i o n 符号说明 f f r 一 符号 意义符号 |意义 l 广一厂一r 一r 疗。 l 线性折射率 | 刀： | 非线性折射率( c g s ) _ 厂、i 一_ 厂i f 厂一r 一厂一r 一 国( z ) 光束半径r | 曲率半径 了厂、石一_ 厂面i if 一 e电场强度三 | 长度 |切| 有效长度k | 波矢 d距离p |光功率 厂t 1 “i 再一r 一了 赢森磊磊 r f “一广t ” f 脉宽 s小孔线性透过率 v |光波频率 旯 l波长 厂_ 面鬲了厣j 丽石一 _ 磊鬲_ t 、丽一 f _ 厂磊丽f 厂 5 第一章绪论 1 9 6 0 年t h m a i n m a n 发明世界上第一台红宝石激光器。它神奇的辐射一扫 光学研究领域多年的沉寂，使光学这门古老的学科重新焕发了活力。随着激光技 术的发展，各种高能激光相继问世，激光脉冲的功率密度很容易达到g w c m 2 ， 甚至更高。在这种激光的照射下，人的眼睛很容易受到损伤，光学传感器也很容 易被打坏，于是激光防护的概念应运而生。光限幅自从1 9 6 5 年作为一个概念被 j p g o r d o n 【1 】等首先提出以后，经过几十年的发展，在理论上和应用上都取 得了很大发展。本章首先阐述了光限幅的基本概念，然后阐述了光限幅器件的基 本要求，最后列出了本文的研究目的和主要内容。 1 1 什么是光限幅 _ 暑 厶 - 皇 0 i n p u t 图1 1 1 理想光限幅器示意图 当激光通过吸收型非线性光学材料时，它对激光的防护功能可用品质因子 易来衡量： d x2l o g ( i o i ) ( 1 1 1 ) 式中，而为入射光功率，为透过光功率，理论上协值越大越好，一般激光 防护镜的么期望值大于4 ( 一般太阳镜的么值小于1 ) 时就可以对激光产生有 6 效地防护。激光防护材料在要求光功率密度达到期望值的同时还要求低光强时透 过率要高，能见度要好。对于吸收型激光防护材料来说，这两者本身是矛盾的。 随着对于激光与材料之间的相互作用了解的深入，人们发现当激光照射某些材料 后透过的能量并不与入射能量成简单的线性关系，甚至在光强达到某一量值时， 增加入射光强输出光强不再发生变化。这种在光强达到一定阈值后，输出能量被 限制在一定范围的现象称为光限幅现象。理想的光限幅器的工作原理如图1 1 1 所示。 1 2 光限幅器件的基本要求 光限幅器的性能用下面四个指标来衡量：( a ) 起始限幅阈值；( b ) 线性透过 率j r l i i i ；( c ) 最低透过率j l l ；( d ) 限幅器作用的衰减因子d r ( d y n a m i cr a n g e ) ； 这里衰减因子定义为线性透过率与最低透过率比值的对数，即 d r = l o g ( t t i , , 瓦i n ) ( 1 2 1 ) 理想光限幅器要求非线性光学材料应当满足：( 1 ) 线性透过率高；( 2 ) 非线 性透过率低；( 3 ) 起始限幅阈值低；( 4 ) 截止光强高；( 5 ) 抗损伤阈值大；( 6 ) 响应时间短：( 7 ) 限幅波段足够宽。这些参数的具体定义如下： 限幅闽值：非线性透过率降为线性透过率的一半时的输入光强。 截止光强：维持光限幅功能的最大输入光强。 损伤阈值：限幅器( 主要指样品) 未发生光学损伤的最大输入光强。 响应时问：限幅器实现限幅功能所需要的最短时问。 限幅波段：产生光限幅效应的光谱范围。 1 3 本文的研究目的和主要内容 从目前的研究成果来看，被研究最多，性能最好，最接近实用化的光限幅方 案是利用非线性光学材料的反饱和吸收。所谓反饱和吸收，是指材料的吸收系数 随入射光强的增加而增大的现象。在低能量光的照射下，材料的基念吸收起主要 作用，吸收弱，透射高；而在高能激光照射下，材料的激发态吸收界面大于基态 7 吸收截面，吸收强，透射低，对激光起到阻挡作用。 具有万电子共轭体系的有机物一般都有比较优良的非线性光学性能，可以用 来作为光限幅材料的研究对象。而金属有机配合物中过渡金属离子的引入，进一 步加强了这种刀共轭体系，使得人们可以通过更换不同的金属离子和取代基，得 到各种性能优良的非线性光学材料。d m i t ( 1 , 3d i t h i o l 一2 - t h i o n e - 4 ，5 d i t h i o l a t c ，1 ，3 二硫杂环戊烯2 硫酮- 4 ，5 二硫基，简称d m i t ) 类材料就是一种典型的金属有机 配合物。 为了寻找高性能的光限幅材料，我们合成了一种新型的d m i t 类金属有机配 合物材料二( 四乙基铵) 双( 4 ，5 一二硫基1 ，3 二硫杂环戊烯一2 一硫酮) 铜( 简 称e t c u ) ，配制了它1 0 x 1 0 。3 m o l l 的乙腈溶液，研究了它在不同样品厚度( 2 r a m 、 5 m m 、1 0 m m ) 下的光限幅特性，并结合z 扫描技术，研究了其三阶非线性光学 性质，使用飞秒分辨光克尔法，测量了其非线性响应时间。研究结果表明，e t c u 具有比较大的非线性吸收系数和比较快的非线性响应时间，在光限幅领域具有潜 在的应用价值，其光限幅特性主要来源于反饱和吸收。 8 第二章光限幅的研究现状 2 1 光限幅材料的限幅机理 目前光限幅材料的研究重点是光开关型滤光镜。它具有只对入射光的能量敏 感，而对入射光的波长不敏感的特性，可以克服现有的许多光限幅材料防护波长 单一，透过率不高、有防护角度要求等缺点，既能防止强激光对人眼和仪器的损 害，又能使普通的可见光保持较高的透过率。如果从限幅机理上对光限幅材料进 行划分，可以分为以下几种： l 、基于相变原理 这种光限幅方法利用了材料的热致相变。此类材料在室温下为一种形态，呈 透明状态；在被强激光照射后，开始升温，当温度升高到一定值后产生相变，变 成不透明状态。这类材料中的典型例子是氧化钒薄膜 2 】。此种氧化钒薄膜由二 氧化钒和三氧化二钒组成，用于红外波段的光限幅。它在低温时为单斜晶系，对 红外光透明；高温时相变为四方晶系，对红外光变为不透明状态，从而实现光限 幅。 2 、基于多种效应复合原理 此种光限幅方法使用在同一基质中掺入导电高聚物和无机半导体材料制成 的新型有机无机复合材料，其限幅原理为多种效应的复合。一方面它利用了 材料的非线性光学性质，另一方面它又利用了无机半导体材料在的光敏化性质和 导电高聚物的电致色变性质。半导体材料在激光超快变化的作用下，会发生光敏 化，电荷转移到导电高聚物中，导电高聚物在转移电荷的作用下，发生电致色变， 从而实现光限幅。此种材料的响应时间可达纳秒量级，如能解决抗损伤闽值低的 问题，将是一种非常有发展前景的光限幅材料。 3 、基于非线性光学原理 基于非线性光学的光限幅技术是于上世纪八十年代逐步发展起来的一种新 型光限幅技术，它主要利用了材料的三阶非线性性质，如非线性散射、非线性折 射、非线性反射、非线性吸收等。利用非线性光学原理的光限幅方法，是目前大 9 家研究的重点，下面我们将对它进行详细介绍。 2 2 基于非线性光学原理的光限幅技术 利用材料的非线性光学性质的光限幅技术，按其作用机理分类，主要分为以 下几种类型： l 、非线性散射光限幅 非线性散射主要有受激喇曼散射( s t i m u l a t e dr a m a ns c a t t e r i n g ，s r s ) 、受 激布里渊散射( s t i m u l a t e db r i l l o u i ns c a t t e r i n g ，s b s ) 和光致等离子体散射 ( l a s e r - i n d u c e dp l a s m as c a t t e r i n g ) 等 3 6 】。非线性散射类光限幅材料在被弱光 照射时，非线性折射率不起作用，因而是光学均匀的，不产生散射效应，呈现出 高透射率：在被强激光照射时，非线性折射率开始起作用，材料的光学均匀性被 改变，对入射光产生强烈散射，从而实现光限幅。目前较有应用前景的非线性散 射光限幅是光致等离子体散射光限幅。液体非线性介质吸收高强度激光后形成等 离子体并产生气泡，出射光强由于等离子体的散射而受到限制，从而实现光限幅。 2 、非线性折射光限幅 非线性折射是指强光在介质中传播时，由介质的三阶非线性效应引起的介质 折射率变化与入射光强成正比的非线性光学现象。这种非线性折射引起的介质折 射率的变化可以导致入射光波面、相位和频谱发生变化，从而导致入射光的传播 方向发生改变。非线性折射分为光折变( p h o t o r e f r a c t i v ee f f e c t ) 、自聚焦 ( s e l f - f o c u s i n ge f f e c t ) 和自散焦( s e l f - d e f o c u s i n ge f f e c t ) 三种情况【7 一l o 】。 光折变光限幅 光折变效应是光致折射率变化效应的简称，指电光材料在光场作用下，折 射率随光强的空间分布而变化的一种现象。由于这种变化在定条件下可 以恢复，因而不同于永久性的光损伤，因而称为光折变 5 】。光折变光限幅 就是利用光折变效应引起的散射光的放大向散射光转移能量，从而限制透 射光的能量，以实现光限幅。光折变光限幅的原理如图2 2 1 所示。光折变 光限幅目前面临的主要问题是造价高，难改进。 1 0 3 、非线性反射光限幅2 2 2 自聚焦和 自故焦光限幅原理 蓑薹主篡誓薹线性界面和反射双稳态两种侍况。 非线性界面是指由线性材料和非线性材料或是两种非线性符号相反的材料 共同构成的界面。弱光入射到非线性界面时，在满足全反射条件的情况下， 在非线性界面上发生全反射，被探测器接收；强激光入射到界面上时，非 线性材料的折射率发生改变，全反射条件被破坏，入射光只能部分被反射， 进入探测器的光的强度被衰减，从而实现光限幅。非线性界面光限幅的优 点是可实现对弱光的全反射，缺点是要想达到理想的光限幅效果，必须找 到非线性折射率变化足够大的非线性材料。 反射双稳态光限幅 由非线性光学材料构成的光学双稳态如果取反射光作为探测器的接收光， 则在弱光入射时，透射光呈低透射率，反射光呈高反射率，可以保证探测 器对光信号的接收；而当入射光强度达到或超过光学双稳态的临界值时， 透射光呈高透射率，反射光呈低反射率，进入探测器的光强被衰减，从而 实现光限幅。反射双稳态光限幅较之非线性界面光限幅，具有对弱光的反 射率低，对强光的衰减也低的弱点。就目前来说，此种方法距离实际应用 还有很大的距离。 4 、非线性吸收光限幅 非线性吸收是指材料的透过率随入射光强变化而变化的一种现象。非线性吸 收是非线性光学效应的一种重要的表现形式，主要分为饱和吸收( s a t u r a b l e a b s o r p t i o n ，s a ) 、反饱和吸收( r e v e r s es a t u r a b l ea b s o r p t i o n ，r s a ) 、双光子吸 收( t w o p h o t o na b s o r p t i o n ，t p a ) 、自由载流子吸收( f r e ec a r d e ra b s o r p i o n ， f c a ) 等【3 6 】。其中反饱和吸收和双光子吸收可应用于光限幅。下面对两者进行 一下简单介绍。 反饱和吸收光限幅 反饱和吸收是指介质的吸收系数随入射光强的增大而增大的一种现象。一 般而言，当分子体系的激发态吸收截面大于基态吸收截面时发生反饱和吸 收。1 9 6 7 年，g u i l i a n o 和h e s s 首次在染料中观测到了反饱和吸收。反饱和 吸收一般发生在分子的非共振区或近共振区。反饱和吸收是目前为止性能 最好的光限幅方法，也是当前人们研究最多的光限幅方法，当然也是本文 研究的藿点。 1 2 双光子吸收光限幅 双光子吸收是指电子同时吸收两个光子后由基态跃迁到激发态的现象。双 光子吸收是一种瞬时非线性光学效应。根据所吸收的光子的频率的不同， 双光子吸收可以分为简并双光子吸收和非间并双光子吸收两种情况。前者 吸收的两个光子频率相同，后者则不同。由于介质的双光子吸收截面相对 来说较小，因此要实现大量的双光子吸收所需的激光能量较大。双光子吸 收在许多领域中展示出了良好的应用前景 1 1 1 5 ，光限幅是其中之一。双 光子吸收光限幅一般使用半导体材料，因为半导体材料的双光子吸收系数 相对较大，且结构简单，对应用于红外探测器的“窗口”，可用来制作红外 探测器的防具。 2 3 非线性光限幅材料简介 自1 9 6 5 年j p g o r d o n 等人首次提出了光限幅的概念【l 】以来，光限幅研 究的发展大体经历了以下两个主要阶段：第一阶段，自1 9 6 9 年j e g e u s i c 等 【1 6 1 发现s i 的光限幅特性至上世纪九十年代以前，这一阶段是光限幅材料的发现 和光限幅理论的发展阶段。此阶段的光限幅研究一般以半导体材料为主体。第二 阶段，自上世纪九十年代至今，这一阶段的光限幅研究以含大的刀共轭体系的有 机物为主体。由于万电子在分子内部易于移动且不受品格振动的影响，此类有机 物不但比无机物有更强的非线性光学效应，而且还有快的多的非线性相应时间。 因此，含石共轭体系的有机物，特别是富勒烯( c 6 0 ，c 7 0 ，c 8 4 等) 光限幅特性 的发现 1 7 】，为光限幅这一研究领域注入了新的活力。 2 3 1 无机光限幅材料 1 、半导体材料 半导体材料的光限幅是上世纪八十年代的研究重点。半导体光限幅材料作为 光限幅领域研究最早的光限幅材料，其优点是物理和化学稳定性好，易加工、耐 高温、抗老化、限幅器件结构简单；缺点是损伤阈值低，限幅波段窄【1 8 】。 2 、金属团簇化合物 近年来，人们使用低温固态法合成了许多种金属团簇化合物，主要有平面结 构、六方柱结构、巢形结构和立方结构等。金属团簇化合物独特的结构使其成为 了一种重要的非线性光学材料。其非线性光学特性随重金属原子及各取代基和各 种结构的变化而表现出不同的变化。金属团簇化合物有大的三阶非线性极化率和 对可见光波段较低的吸收系数。这使它成为一种重要的光限幅材料。金属团簇化 合物的光限幅机理一般为反饱和吸收或自聚焦( 自散焦) 【1 9 2 0 1 。 3 、硫系玻璃 硫系玻璃是指一种或多种除氧以外的氧族元素( s 、s e 、t e 等) 和诸如a s 、 g a 、g e 、s b 等电负性较弱的元素形成的无机玻璃。为进一步改善其性能，还可 以在其中掺入n d 、e r 、p r 等稀土元素。硫系玻璃最初是作为红外区的光学材料， 自八十年代以来，人们开始使用硫系玻璃作为光限幅材料 2 1 】。 4 、纳米材料 纳米光限幅材料主要有半导体纳米粒子 2 2 1 和金属纳米粒子 2 3 2 5 等。纳米 材料的光限幅机理主要是非线性散射。 2 3 2 有机光限幅材料 近年来，有机非线性光学