（光学专业论文）超连续白光z扫描技术测量材料的非线性光学特性研究.pdf

超连续白光z 扫描技术测量材料的非线性光学特性研究 专业：光学 硕士生：姜小芳 指导教师：丘志仁 摘要 近年来，双光子吸收效应在众多领域中展现出良好的应用前景，所以测量双 光子吸收系数的实验研究也成为非线性光学的前沿课题之一，z 扫描技术由于光 路简单、灵敏度高被广泛应用。论文的主要工作就是基于传统的z 扫描技术，用 高能、宽谱的超连续白光飞秒脉冲激光代替单波长光源，得到一种快速测量有机 物和半导体材料的双光子吸收谱( 可见到近红外波段) 的方法一超连续白光的 z 扫描方法，并结合时间分辨光谱技术研究了新型材料的光物理特性。 论文的主要工作和研究成果如下： 1 z 扫描实验中，被测介质放在会聚透镜的焦点附近，并可沿着传播方向 前后移动，介质的非线性吸收引起高斯光束透射率的改变，通过探测透射率的改 变计算得到非线性吸收系数。我们利用钛宝石再生放大系统输出的8 0 0 n m 飞秒 激光泵浦超纯水产生超连续谱代替了单波长光源，从而避免使用其他可调谐光源 ( 光参量放大器o 光参量产生o p g ) 改变波长后引起的光路校准问题，大大 缩短了z 扫描测量双光子吸收谱的时间。通过测量z n s e 样品的简并双光子吸收 系数，验证了超连续白光z 扫描技术的可靠性。 2 用超连续白光z 扫描技术测量了一种新型有机共轭体的双光子吸收截 面，这类有机分子采用两个吡啶分子对称结构连结，增加了分子共轭长度，使得 电子更丰富。实验结果表明：这种结构有效地增大双光子吸收截面。通过与超 连续白光非线性透过率方法的实验结果对比，发现超连续白光z 扫描在弱光波段 更具灵敏性。 3 采用8 0 0 n mz 扫描技术测量液相法制备的氧化锌纳米球和纳米棒的双光 子吸收系数，纳米氧化锌薄膜并没有取得比以往文献中氧化锌微晶薄膜更高的吸 收系数，分析原因如下：a ) 8 0 0 n m 远离氧化锌双光子共振吸收峰，双光子共振 吸收减弱，造成测得的双光子吸收系数小；b ) 当激光功率密度达到几百g w c m 2 时，可有效地激发纳米棒产生三光子吸收效应，三光子与双光子的并存现象造成 拟合出来的双光子吸收系数比较小。 4 结合时间分辨光谱技术研究了上述氧化锌纳米结构与有机导电聚合物 p 3 h t 复合膜的能量传递过程。通过观察聚合物荧光寿命缩短，发现氧化锌纳米 结构的掺杂扩大了电子给体和受体的界面面积，有效提高了载流子分离速率。另 外，通过适当络合物的掺杂，使得电子给体和电子受体的能带之间形成较平滑的 梯度，更为有效地提高了载流子分离速率。 关键词：非线性测量；超连续白光z 扫描；双光子吸收系数；能量传递过程 n n o n l i n e a ro p t i c a lp r o p e r t i e sr e s e a r c hi nm a t e r i a l su s i n ga w h i t e - l i g h tc o n t i n u u mz - s c a nt e c h n i q u e m a j o r ：o p t i c s n a m e ：j i a n gx i a o f a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rq i u z h i r e n a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t w o - p h o t o na b s o r p t i o n ( t p a ) s h o w sg r e a tp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nv a r i o u s 五c l d s ，s om 翰飘垃朗n e n t so ft h i r d - o r d e rn 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 th a v eb e e nb r o u g h tt ot h e f 0 幽n to fn o n l i n e a ro p t i c s t h ec o n v e n t i o n a lz - s c a nm e a m n e m e n ti sap o p u l a rt e c h n i q u e t og e t t h en o n l i n e a rp r o p e r t i e sb e 现t l s eo fi ms i m p l i c i t ya n ds e n s i t i v i t y t h em a i ng o a lo f t h i sd i s s e r t a t i o n i st oi n 仃o d l 】c ea n dd e m o n s t r a t ean e wm e t h o df o r t h er a p i dd e t e r m i n a t i o no ft h en o n l i n e a r a b s o r p t i o ns p e c t r ao fo 埘l m a t e r i a l si nt h ev i s i b l ea n dn e a ri rs p e c t r a lr e g i o n s s u c ha s s e m i c o n i i | c t o ra n do r g a n i cc o m p o u n d s w er e f e rt h i sm e t h o da sw h i t e - l i g h tc o n t i n u u mz - s c a n ( w l cz - s c a n ) ，w h e r eah i g he n e r g y , b r o a d b a n df e m t o s e c o n dw l c i su s e dt or e p h e et h es i n g i e w a v e l e n g t hs o l l r c ec o n v e n t i o n a l l yu s e d i naz - s c a ne x p e r i m e n t i na d d i t i o n ，c o m b i n i n go f t i m e - f 骼0 l v e dn l t r a f a s tf l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y , t h ep h o t o - p h y s i c sp r o p e r t i e so fn e w k i n d so f m a t e r i a l sh a v eb e e ns t u d i e d t h em a i ni s s u e sa n dr e s u l t sa l ea sf o l l o w s ： i i naz - s c a ne x p e r i m e n t ，t h et r a n s m i t t a n c eo faf o c u s e db e a mt h r o u g has a m p l e i s 础o r e d 弱t h es a m p l et r a v e l st t z o u g ht h ef o c u si nt h ezd i r e c t i o n , a l o n gt h ef o c u s e db e a m p r o v i d i n g t h es a m p l ee x h i b i t sn o n l i n e a ra b s o r p t i o n , t h e d e t e c t o rm o n i t o r sac h a n g cm 仃铷嘲 n i t t a n c e r e p l a c i n gt h es i n g l ew a v e l e n g t hs o u i c cw i t haw h i t e - l i g h tc o n f i n u t m la l l o w sf o ra m c hl h 嗽w a yo fm e a s u r i n gt p as p e c t r a t h i sc o u l de l i m i n a t et h en e e df o ru s i n go t h e rt u n a b l e s o u i c 0 8 ( e 昏o p a o p g ) f o rn o n l i n e a rm e a s u r e m e n t s ，w h i c hm a d en o n l i n e a rs p e c t r o s c o p y 衄n g 乙s c a ne x p e r i m e n t sat i m ec o n s u m i n gt a s kb e c a u s eo fw a v e l e n g t ht u n i n ga n do p t i c a l p a t h r e a l i g n m e n t t h i sw l c z - s c a nm e t h o dg r e a t l yi n c r e a s e st h ee f f i c i e n c yo fm e a s u r i n gd e g c 撇 t p as p 煳，a n dm e a s u r i n go l l es a m p l en o d so n l ys e v e r a lr n i a u t e s b yu s i n gi t t or 觑 f o r m h 1 二s c a mo nt h ew e l lc h a r a c t e r i z e ds e m i c o n d u c t o r sz n s e w eh a v ec o n f i r m e dt h er e l i a b i l i t yo ft h e n e wm e t h o d 2 u s i n gw l cz - s c a nt og e t t p ac r o s s s e c t i o no fan e wk i n do f7 【c o l l j u g a t e do r g a n i c c o m p o u n d s ，w h i c hh a v et w os y m m e t r i c a lp y r i d i n es t r u c t u r e s t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a t ： t h i ss t r u c t u r ee n l a r g et p ac r o s s s e c t i o ne f f e c t i v e l yd u et oi n c r e a s et h en - c o n j u g a t i o nl e n 醇ha n d e n r i c ht h en e l e c t r o u s c o m p a r i n gw i t hw l cn o n l i n e a rt r a n s m i s s i o nm e a s u r e m e n t , w ef o u n d w l cz - s c a na l s oh a dg o o da c c u r a c yi nt h ew a v e l e n g t h sw i t hl o wi n t e n s i t y 3 t h et p ac o e f f i c i e n t so fz n on a n o s p h e r e sa n dn a n o r o d ss y n t h e s i z e db yl i q u i d - p h a s e m e t h o dh a v eb e e nm e a s u r e db yzs c a nm e t h o du s i n g8 0 0 h mf e m t o s e c o n dl a s e rp u l s e t h er e s u l t s s h o wt h a tz n on a n o c r y s t a lf i l md o e sn o th a v el a r g e rt p ac o e f f i c i e n t st h a nz n om i c r o c r y s t a lf i l m , a n dc a u s eb yt h ef o l l o w i n gr e a s o n s ：a ) 8 0 0 h mi sal i t t l ef a rf r o mt w o - p h o t o nr e n a n c ea b s o r p t i o n b a n do f z n om a t e r i a l s ，r e s u l t i n gi nt h et w o - p h o t o nr e s o n a n c ea b s o r p t i o nd e c r e a s e d b ) w h e nl a s e r e x c i t a t i o ni r r a d i a n c 宅su pt oh u n d r e d so fg w e m 2 ，t h r e e - # o t o na b s o r p t i o n ( 3 p a ) h a p p e n e d t h e c , o - e x i s t e n c e o f t p a a n d3 p a m a k e st h e r e s u l to f t p a c o e f f i c i e n t sm i n i s h 4 w i t ht i m e - r e s o l v e ds p e c t r o s c o p ym e t h o d , t h ec h a r g et r a n s f e rp r o c e s si nt h ei n t e r f a c e b e t w e e nn a n o - z n od e s c r i b e da b o v ea n dp 3 h th y b r i df i l mw a ss t u d i e d w ef o u n dd o p i n gz n o n a n o r o d si n c r e a s e dt h ei n t e r f a c eo ft h eh y b r i d , i tc o u l d m e d i a t ec h a r g et r a n s f e rf o r mp 3 h tt oz , n o n a n o r o d se f f e c t i v e l yb ys h o w i n gas h o r t e rp ld e c a yl i f e t i m e i na d d i t i o n ，t h ea t t a c h m e n to fp r o p e r i n t e f f a c i a lm o l e c u l e so nz n o p 3 h th y b r i dc a l l # a yt h er o l eo fa s s i s t i n gc h a r g es e p a r a t i o na n d s u p p r e s s i o no f b a c kr e c o m b i n a t i o na ti n t e r f a c e s ，w h e r e e f f e c t i v ep o t e n t i a lc a s c a d e w i t hg r a d i e n to f t h ec o n d u c t i o nb a n dm i n i m u mp o t e n t i a le n e r g i e si sf o r m e da f t e ri n t e r f a c em o d i f i c a t i o n k e yw o r d s ：n o n l i n e a rm e a s u r e m e n t ；w h i t e - l i g h tc o n t i n u u mz - s c a n ；t w o - p h o t oa b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t , c h a r g et r a n s f e rp r o c e s s i v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。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 撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 萎柚、豸 日期：加f 口年6 月弓日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定 机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢 利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室 被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名： 姿 日期：护。年月日 锄摊：哟二 日期：加7 睥6 月乡日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导 师指导下完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程 技术学院，受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任 何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系 人，未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其 它单位做全部和局部署名公布学位论文成果。本人完全意识 到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 姜) 、隽 日期：洳卜年6 月日 第章绪论 1 1 引言 第一章绪论 非线性光学作为光学领域一个重要的分支学科，主要研究在光场作用下，物 质的响应跟场强呈现的非线性关系。从本质上讲，所有介质在强光照射下都应该 有非线性光学响应，但是要观察到它们的非线性光学效应，不同物质所要求的光 场功率可相差几个数量级，这是由组成物质的原子或分子的电子结构性质、动态 行为以及物质的对称性等因素决定的。不少材料的非线性特性已经得到了实际应 用，如石英、铌酸锂( l i n b 0 3 ) 、磷酸二氢钾( k d p ) 以及一些半导体材料近 年来，光电子学的迅速发展，光电子材料和技术的作用也日益显著，极大地推动 了人们在非线性光学领域的研究。非线性光学材料作为一种光电子、光子系统集 成的关键材料，其非线性光学性质的研究为研制光子器件提供了科学基础和技术 支持。非线性过程一般在高功率泵浦下才能实现，所以在新型高亮度光源激 光器问世之后，短短的5 0 年间，非线性光学在基本原理、新型材料的研究、新 效应的发现和应用方面都取得了重大的发展，成为光学学科中最活跃和最重要的 分支学科之一。 非线性光学的实验研究始于1 9 6 0 年第一台红宝石激光器的发明【l 】。 1 9 6 1 年，f r a n k e n 等人将红宝石激光束入射到石英片上，发现出射的光束中不仅有红 宝石的6 9 4 2 r i m ，在紫外区还存在另一条3 4 7 1 n m 的谱线【2 1 ，这是第一次在实验 上观察到的非线性光学效应二次谐波的产生。随后，1 9 6 1 年9 月，k a i s e r 和g a r r e t 用聚焦脉冲红宝石激光器泵浦c a f 2 ：e u 2 + 晶体，实验上观察到上转换 荧光发射，第一次在实验上证实了简并双光子吸收过程【3 1 ，而早在1 9 3 1 年， g 6 p p e r t m a y e r 已经从理论上预言了双光子吸收的存在 4 1 。伴随着高峰值功率的 调q 和锁模激光器的应用，非线性特性和动力学的实验研究取得了重大的进展。 本文所研究的非线性效应主要集中于双光子吸收效应。双光子吸收属于与非 线性饱和吸收在形式上迥异的另一种效应，它会使介质的吸收系数随强度的增加 而增大，其基本原理是：在强光泵浦下，介质中的分子和原子同时吸收两个光子， 超连续白光z 扫描技术测量材料的非线性光学特性研究 从基态跃迁到两倍光子能量的激发态的过程，这两个光子可以是同一频率( 简并 双光子吸收) ，也可以是不同频率( 非简并双光子吸收) 。双光子吸收属于三阶非 线性光学效应，由耦合波理论可以推出，双光子吸收系数和三阶电极化率的虚部 有关，这个会在第二章中给出详细推导。 发展和完善双光子吸收截面的测量方法有利于促进人们对双光子吸收材料 光物理特性的准确理解，推动具有强双光子吸收特性的有机和无机材料的设计和 合成。目前测量材料双光子截面的实验手段主要有如下四种：双光子诱导荧光法， 非线性透过率测试方法，瞬态吸收光谱方法及z 扫描法。鉴于分子设计和器件 应用的角度，得到一个宽光谱的简并状态下的双光子吸收谱是十分有利的。但是， 这些测量方法在短时间内测量一个样品的宽谱范围内的双光子吸收谱是十分困 难的。因此探索一种实验条件更为简单、快捷、有效的非线性测量方法用于双光 子吸收实验研究，是十分必要的。 1 2 超连续白光z 扫描技术简单回顾 超连续白光的z 扫描技术( w h i t e l i g h tc o m i n u u mz - s c a n ，简称w l cz s c a n ) 是结合单波长的z 扫描方法( z 。s c a n ) 和超连续谱的产生发展过来的。 1 9 8 9 年，s h e i k - b a h a e 等人第一次介绍了一种测量材料非线性折射率的技术： z 扫描技术【5 】。第二年即1 9 9 0 年，s h e i k b a h a e 等人又再一次提出z 扫描方法可 以有效地测量材料的非线性折射和吸收特性【6 l 。它的光路简单，如图1 1 所示， 会聚高斯光束传播至远场一带有小孔的探测器，被测非线性介质放在会聚焦点附 近，可沿着传输方向( z 方向) 前后移动，由于介质的非线性光学特性会使光束 会聚或是发散( 闭孔) ，或是吸收增加或是减小( 开孔) ，从而引起探测器探测到 的辐射量变化。这种测量方法灵敏度高( 可以探测到优于波长的三百分之一的波 面畸变) 。更引人注目的是这种z 扫描方法功能非常强大，可以同时测量非线性 吸收系数和非线性折射率，即三阶电极化率的实部和虚部。这是测量非线性折射 率方法常用的四波混频方法不可能做到的。 2 第章绪论 图1 - 1 闭孔z 扫描装置简图嘲 1 9 9 2 年，s h e i k b a h a e 又提出双色( t w oc o l o r ) z 扫描技术【7 】，将不同波长的 两束激光共线聚焦到样品上，例如：一束强光( 1 0 6 4 n m ) 作为激发光，一束弱 光( 5 3 2 n m ，转化效率为l 的倍频晶体k d * p 晶体产生) 作为探测光，对焦点 附近的样品进行开孔和闭孔z 扫描，就可以分别测量得到非简并的非线性折射 率的变化和非线性吸收系数的变化，装置如图1 2 所示。 图l - 2 双色z 扫描实验装置图忉 同 l i _ _ _ _ - _ - _ - - 一 1 9 9 4 年，j w a n g 和s h e i k b a h a e 在z 扫描实验方法中加入时间延迟，可以 分别研究具有不同时间响应的非线性光学效应【8 】。在时间分辨的z 扫描实验中， 样品的位置不变，即改变z 扫描为激发光脉冲与探测光脉冲延迟时间t d 的扫描。 当样品位置固定时，测得归一化透过率对延迟时间的函数，分别得到非线性吸收 ( 开孔) 和折射率( 闭孔) 的动力学过程。如果将延迟时间“固定在较大值，使 激发光和探测光之间没有空间重叠，则z 扫描的结果只与寿命较长的非线性响 应有关。这种方法可以使我们在研究半导体材料时，将自由载流子的非线性吸收 的较慢响应和与折射率有关的束缚电子产生的超快非线性响应( 亚皮秒量级) 分 离开来，进行独立的测量。时间分辨的双色z 扫描方法可以独立地测量非简并 超连续白光z 扫描技术测量材料的非线性光学特性研究 双光子吸收，束缚电子的非线性折射率，自由载流子的吸收和自由载流子的折射。 如果改变激发光和探测光的相对偏振方向，还可以测量不同的非线性极化率张量 元的大小。实验装置如图1 3 所示。 日 f w , f 4 f f a v i e 眦 图1 3 时间分辨双色z 扫描的实验装置嘲( d 1 d 4 ：探测器：v b s ：可变分束器：d b s ： 双分束器；s ：样品；i i w p ：半波片；s h g ：二次谐波产生；t d 时间延迟线) 另一方面，伴随着高功率脉冲激光器的产生，在透明介质中泵浦出超连续谱 的现象也引起了科学界的广泛关注。1 9 7 0 年，a l f a n o 和s h a p i r o 等人使用倍频锁 模皮秒激光脉冲泵浦b k 4 7 光学玻璃【9 】，在世界上首次获得了4 0 0 - 7 0 0 n m 的超连 续谱。超连续谱的产生是一种非常复杂的非线性过程，至今都没有一个完善的理 论来解释。7 0 年代，a l f a n o 和p e n z k o f e r 等最先提出超连续谱形成是一种四波混 频的过程【9 , 1 0 ，随后s m i o t h 等发现自相位调制效应和自聚焦效应是超连续谱形成 的主要机理【l l 】。关于超连续谱的产生和应用将在第三章中详细讨论。 2 0 0 2 年，n e g r e s 等把超连续谱的产生运用到非线性性质的测量q c 1 2 , 1 3 】，运 用飞秒脉冲激发1 s m m 的熔融硅( f u s e ds i l i c a ) 产生超连续白光作为弱的探测光， 分析得到双光子吸收谱，详细情况将在下一章的双光子吸收截面测量方法( 瞬态 吸收测量方法) 中介绍。 稍后，g s h e 等提出可以运用单光束的超连续白光测量简并的双光子吸收截 面，也就是飞秒超连续谱的非线性透射法【1 4 】。他第一次使用单光束超连续白光 脉冲直接测量出有机发色团溶液的简并双光子吸收谱。虽然测量得到的双光子吸 收谱是相对的，但是经过单波长的校准，我们就可以简便地得到一定波长范围内 的绝对双光子吸收截面。实验装置如图1 4 所示，超连续白光是由波长为7 9 0 n m ， 4 第一章绪论 脉宽1 4 0 f s ，重复率为l k h z 的脉冲光泵浦1 0 c m 的充满重水( d 2 0 ) 的样品池产 生的，利用s f l 0 玻璃棱镜使超连续白光在空间上分散，从而避免了非简并双光 子吸收的发生，实验和理论得到很好的吻合。这种新的实验方法简单快捷，但是 这种方法要求样品具有比较显著的非线性透射损失，即非线性信号要足够大，原 因是因为利用棱镜或是光栅对连续谱空间上或是利用光学延迟进行时间上的分 光会使激光脉宽展宽和大大减低激光光强，因而非线性信号也会随之减低。 7 9 0 - r t m i4 0 - f s f o c 峪i n g 蝴蚍 l t h o o e l l c o n t i n u u m p u l 墨盛 图i 一4 重水产生的超连续白光非线性透射法测量简并双光子吸收谱实验装置1 1 4 】( n d f i l t e r s ：中性滤色片) 2 0 0 4 年，l e o n a r d od eb o n i 把超连续白光和z 扫描方法结合起来，在g s h e 的基础上提出了一种新型的超连续白光z 扫描方法【1 5 , 1 6 。他们同样利用飞秒脉冲 泵浦产生超连续白光光源，并用这种宽谱超连续谱光源代替了常规z 扫描中的 单波长光源，利用便携式海洋光学光谱仪( u s b2 0 0 0 ，o c e a no p t i c s ，分辨率 l n m ) 做探测器，得到样品沿着z 轴方向移动之后远场光谱( 开孔) 。同时，文 献中也用光克尔效应研究了超连续白光的啁啾特性，指出实验测得的双光子吸收 过程是简并的，并把实验结果与用光参量放大器o p a 光源得到的单波长z 扫描 结果比较，符合的很好。但是这种方法在光强很弱的情况下信噪比比较差，实验 结果不准确。实验光路如图1 5 所示。 超连蛙白光z 拙技术m 4 址村科的非线忡光学特性研究 。，诵 1 | 堇ii - 5 蒸馏水产生的超连续白光的z 扫描装置5 圳 同年，m i h a d a b a l u 也提出了超连续白光的z 扫描方法【+ 6 - 1 8 ，利用窄带滤色 片组合得到脉宽为1 5 n m 的窄带光源，进而用常规的z 扫描方法测量窄惜光源的 z 扫描曲率，快速地得到6 5 0 r i m 一9 0 0 n m 下样品的双光予吸收系数和非线性折射 率。随后他们用高压气体产生更高能量的超连续白光脉冲，并用一组转动轮 的窄带滤色片组合实现了窄带光的z 扫描实验【”却i ，近两年，他们不断改进这种 方法用不同的物质产生高能的超连续白光t 2 ”，快速地测量出一系列半导体材 料和有机光引发剂的非线性特性，实现了对低非线性吸收材料的双光子吸收测 量，并有效地分析了非线性特性的内部机制瞄】。 k r 4 a r m ) 图1 - 6 用高压k r 气产生超迮续白光的z 扫描方法【”1 曲， 盎一 l + 一 一 第一。章绪论 1 3 本文研究目的和主要意义 利用高功率脉冲激光研究材料的非线性光学性质是现代光学领域中的一大 热点。其中三阶非线性效应一双光子吸收具有以下特点： ( 1 ) 双光子吸收是长波吸收短波发射的过程，可有效地减少激发光的瑞利散 射( 散射损失与入射波长的四次方成反比) 和介质吸收等耗散，具有很强的穿透 力。 ( 2 ) 吸收强度与入射光强的平方成正比，在紧聚焦情况下，双光子吸收仅仅 发生在焦点处入射波长的三次方大小量级的空间体积内。 基于上述特性，具有大的双光子吸收截面的材料在双光子荧光显微和成像 2 3 y 4 1 ，三维光信息存储和光学微3 ；nr t 2 5 , 2 6 1 ，频率上转换激光器【2 7 1 ，光限幅和光稳 幅【2 引，光动力学医疗口9 1 等许多领域都展示出了良好的应用前景。故发展双光子 吸收截面测量方法，是制各具有大的双光子吸收截面的材料的先决条件。 目前，多种实验手段用于测量双光子吸收截面，包括双光子诱导荧光法，瞬 态吸收非线性透射法和开孔z 扫描，这些实验方法将会在第二章中详细介绍。z 扫描方法是一种简单、灵敏、准确的非线性测量方法，采用开孔和闭孔可以分别 测量得到材料的非线性吸收系数和非线性折射率。但是，鉴于可调谐激光器价格 昂贵，利用光学参量振荡器( o p t i c a lp a r a m e t e ro s c i l l a t i o n ，o p o ) 进行光路的校 准和重调非常耗时，故有必要发展一种简单快捷有效的非线性测量方法。 本文基于单波长的z 扫描技术，利用波长为8 0 0 n r n 的飞秒激光泵浦超纯水 产生超连续白光，进一步发展了超连续白光z 扫描技术，并利用超连续白光z 扫描方法测量得到了宽禁带半导体材料硒化锌( z n s e ) 体材料的双光子吸收谱， 即双光子吸收系数伴随波长变化的曲线，实验数据跟理论结果符合的很好，验证 了超连续白光z 扫描方法的可行性。论文的第4 章主要描述了两种制备简单的 氧化锌纳米球和纳米棒结构的非线性特性，用8 0 0 h m 飞秒激光的z 扫描测量了 纳米氧化锌结构的双光子吸收截面，实验结果比其他文献报道值小，例如：氧化 锌微晶薄膜。通过分析原因得到在高强度的8 0 0 n t o 激光激发下氧化锌纳米棒结 构可以有效地产生三光子吸收，这个研究结果为氧化锌纳米结构的多光子过程提 供了一定的实验依据和理论基础。而后，通过超快动力学光谱技术研究了这种氧 7 超连续白光z 扫描技术测量材料的非线性光学特性研究 化锌纳米材料与有机导电材料( 聚3 己基噻吩，缩写为p 3 h t ) 掺杂物的动力学 过程，发现氧化锌纳米材料可以作为电子受体，有效地提高了能量传递速率，研 究结果拓展了氧化锌纳米结构在染料敏化太阳能电池中的应用。 参考文献 【l 】m a i m a nt s t i m u l a t e do p t i c a lr a d i a t i o ni nr u b y n a t u r e 1 9 6 0 ，1 8 7 ：4 9 3 - 4 9 4 【2 】f r a n k e n 只h i l la p e t e r sc ，w e i n r e i c hqg e n e r a t i o no fo p t i c a lh a r m o n i c s p h y s i c a l r e v i e wl e t t e r s 19 6 1 7 ：118 - 1 19 【3 】k a i s e rw g a r r e t tc t w o - p h o t o ne x c i t a t i o ni nc a f 2 ：e u l + p h y s i c a lr e v i e wl e t t e r s 1 9 6 1 ，7 ：2 2 9 2 3 1 【4 】m a f i agu b e re l e m e m a r a k t em i tz w e iq u a n t e n s p r u n g e n a n n p h y s l e i p z i g19 31 ， 5 ：2 7 3 【5 】 s h e i k - b a h a em ，s a i d 八v a ns t r y l a n d e h i g h - s e n s i t i v i t y , s i n g l e - b e a m n 一2 m e a s u r e m e n t s o p t i c sl e t t e r s 1 9 8 9 ，1 4 ：9 5 5 9 5 7 【6 】s h e i k - b a h a em ，s a i d 八w 西t ，h a g a nd ，v a ns t r y l a n de s e n s i t i v em e a s u r a n e n to f o p t i c a ln o n l i n e a r i t i e su s i n gas i n g l eb e a m i e e ej o u r n a lo fq u a n t u me l e c t r o n i c s 19 9 0 ， 2 6 ：7 6 0 7 6 9 【7 】 s h e i k - b a h a em ，w a n gj ，d e s a l v o & h a g a nd ，s t r y l a n de m e a s u r e m e n to f n o n d e g e n e r a t en o n l i n e a r i t i e su s i n g at w o - c o l o rzs c a n o p t i c sl e t t e r s 1 9 9 2 1 7 ：2 5 8 2 6 0 【8 】w a n gj ，s h e i k - b a h a em ，s a i dah a g a nd ，v a ns t r y h n de t i m e - r e s o l v e dz - s c a n m e a s u r e m e n t so fo p t i c a ln o n l i n e a r i t i e s j o u r n a lo fm o p t i c a ls o c i e t yo fa m e r i c ab l9 9 4 i 1 l ：1 0 0 9 1 0 1 7 【9 】a l f a n or r ，s h a p i r os l e m i s s i o n i nt h er e g i o n4 0 0t o7 0 0 n mv mf o u r - p h o t o n c o u p l i n gi ng l a s s p h y s i c a lr e v i e wl e t t e r s 19 7 0 ，2 4 ：5 8 4 - 5 8 7 【1 0 】p e n z k o f e r 八k a i s e rw g e n e r a t i o no fp i c o s e c o n dl i g h tc o n t i n u ab yp a r a m e t r i c f o u r - p h o t o ni n t e r a c t i o mi nl i q u i d sa n ds o l i d s o p t i c a la n dq u a n t u me l e c t r o n i c s 1 9 7 7 ，9 ：3 1 5 - 3 4 9 【1 1 】 s m i t hw l ，l i l l 只b l o e m b e r g e nn s u p e r b r o a d e n i n gi nh 2 0a n dd 2 0b ys e l f - f o c u s e d p i c o s e c o n dp u l s e sf r o may a i g ：n d l a s e r p h y s i c a lr e v i e wa19 7 7 ，15 ：2 3 9 6 2 4 0 3 1 2 】n e g r e sr ah a l e sj m ，k o b y a k o vah a g a nd j , v a ns t r y l a n de w e x p e r i m e n ta n d a n a l y s i so ft w o - p h o t o na b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p yu s i n gaw h i t e - l i g h tc o n t i n u u mp r o b e i e e e j o u r n a lo f q u a n t u me l e c t r o n i c s 2 0 0 2 ，3 8 ：1 2 0 5 1 2 1 6 【1 3 】n e g r e s 地h a l e sj m ，k o b y a k o v 八h a g a nd j ，v a ns t r y l a n de w t w o - p h o t o n s p e c t r o s c o p ya n da n a l y s i sw i t haw h i t e - l i g h tc o n t i n u u mp r o b e o p t i c sl e t t e r s 2 0 0 2 ， 2 7 ：2 7 0 2 7 2 【1 4 h egl i nt c ，p r a s a dee ta 1 n e wt e c h n i q u ef o rd e g e n e r a t et w o - p h o t o na b s o r p t i o n s p e c t r a lm e a s u r e n l e n t su s i n gf e m t o s e c o n dc o n t i n u u mg e n e r a t i o n _ o p t i c se x p r e s s 2 0 0 2 ， 1 0 ：5 6 6 5 7 4 【1 5 】d eb o n il ，a n d r a d eam i s o g u t il ，m c n d o n ? ac ，z i l i os z s c a nm e a s u r e m e n t su s i n g f e m t o s e c o n dc o n t i n u u mg e n e r a t i o n o p t i c se x p r e s s 2 0 0 4 ，12 ：3 9 2 1 3 9 2 7 【1 6 】b a l um ，h a l e sj ，h a g a nd ，v a ns t r y l a n de w h i t e - l i g h tc o n t i n u u mz - s c a nt e c h n i q u e 8 第一璋绪论 f o rn o n l i n e a rm a t e r i a l sc h a r a c t e r i z a t i o n o p t i c se x p r e s s 2 0 0 4 ，1 2 ：3 8 2 0 3 8 2 6 【l7 】b a l um e x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e sf o rn o n l i n e a rm a t e r i a lc h a r a e t e r i z a t i o n ：an o n l i n c a r s p e c t r o m e t e ru s i n gaw h i t e - l i g