偶氮苯光学材料研制及其三阶非线性光学性能研究

1、偶氮苯光学材料研制及其三阶非线性光学性能研究【摘要】 ： 本文提出制各偶氮苯有机三阶光学非线性材料的三个要求，即分子双键数为 10，使其有较大的X(3；分子具有非简并基态， 使其产生光激励极化子或双极化子；分子在光驱动下产生电荷转移 (CT)态的几率大。在研制成样品材料4-氮甲基氨基-4硝基偶氮苯(MANA)和 4-氮二甲基氨基-4-硝基偶氮苯(DMANA)以及线性吸收系 数更小的偶氮苯材料 4-(2 ，4，6-三氯苯偶氮氨基)-苯偶氮-4-硝基 苯等样品 1-4 后，采用甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为主体，用研制的样 品为客体，制成光学薄膜。对自制的偶氮苯样品作吸收光谱、荧光光 谱、线性吸收系

2、数、线性折射率以及液体样品的浓度和薄膜样品的膜 厚等的测量。并用软件包 HYPERCHEM 对样品作量子化学计算，得 到包括 111 个能级的能态结构，各能级的自旋量子数，偶极矩，振子 强度和跃迁矩等参数。对量子化学计算中所使用的各种近似算法的精 确程度作了讨论。并用 C+语言编制了程序，计算得到样品分子的微 观三阶非线性超极化率和宏观三阶非线性极化率。用Z-Scan 技术和四波混频方法测量了自制样品掺杂膜的X(3 值、时间响应、品质因子、双光子吸收系数等。各个样品X(3 的实验值表明，带氯原子取代基的样品比带碘原子、溴原子取代基的样品更好，对此作了初步分 析。还对影响X(3 勺瞬时光栅作用作

3、了讨论。为进一步提高材料的X(3 值,用 355nm 紫外激光泵浦样品，使其处于激发态，再用 532nm 激光做双波耦合实验。测得激发态增强的X(3 值，它比基态时提高了一个数量级。用激子相位空间充满理论对非线性效应的激发态增强 作了圆满的解释。/)的时间响应包含着一个快过程和一个慢过程。实验证实了这一特征。快过程响应时间为 PS 量级，保持着基态/) 的快速时间响应的特点。理论上的探讨表明，快过程对应于材料从激 发态通过内转换机制向低位激发态的弛豫过程，慢过程则与低位激发态寿命，引起的因子 e-”有关。鉴于光学双稳态是有机材料能否实 现光逻辑门和全光开关的重要因素，本文研究了样品薄膜的色散型

4、光 学双稳性能。在棱镜表面涂布一层样品薄膜，制成法布里-琅罗准波 导结构，当调偏角大于导模线宽，臣输入光强达到一定阈值时，输入 输出特性曲线表现出双稳态特性。从实验数据中推算出样品材料的 n。 *)在 5: 12 n。处的值为 sxlo cm/ W，与用简并四彼混频测 得的结果 2. gxlo cm/y 基本符合。综观本文工作，表明自制的 一类偶氮苯有机材料具有较高的/) 值、快速的时间响应和光学双稳 特性。说明该材料在光子器件方面具有潜在应用前景。【关键词】：偶氮苯有机材料非线性光学效应三阶非线性光学极化率Z-Scan 技术简并四波混频激发态增强非线性效应平面准波导【学位授予单位】：华东师范

5、大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2000【分类号】：0437yiT论女第表站家【目录】：中文摘要 2-4 英文摘要 4-9 第一章绪论：有机非线性光学 材料及器件的研究概况 9-201. 1 前言 91. 2 非线性光学与非线性光 学材料概述 9-121. 2. 1 研究简史 9-101. 2. 2 有机非线性光学材料 的研究概况 10-121. 3n共轭偶氮苯材料的研究 12-141. 4 有机非线 性光学材料、器件的应用 14-161. 5 有机和高分子光子学 16-171. 6 本论文内容安排17-20 第二章偶氮苯材料的研究和制备 20-342. 1 引 言 202. 2 有机

6、材料结构与性能关系的理论探讨20-262. 2. 1 有机分子结构与三阶电极化率 20-242. 2. 2 有机材料中光生载流子的产生 机制24-252. 2. 3 三阶非线性光学响应对材料的要求25-262. 3 材料样品的制备及其基本参数的测量26-342. 3. 1 引言 26-272. 3. 2样品及其薄膜的制备 27-292. 3. 3 材料样品的吸收谱 29-322. 3. 4 用 m-线法测量薄膜厚度及折射率32-34第三章偶氮苯样品的三阶非 线性电极化率的理论计算34-453. 1 引言 343. 2 分子轨道理论34-383. 2. 1 自治场分子轨道法 34-363. 2.

7、 2 分子轨道自治场方程 的解 36-373. 2. 3 从头计算和近似计算 37-383. 3 偶氮苯样品的量 子化学计算 38-413. 3. 1 计算结果 38-403. 3. 2 讨论 40-413. 4 偶 氮苯样品材料三阶分子超极化率丫及 X(3)理论计算 41-453. 4. 1计算机程序的编制与计算 41-433. 4. 2 结果与讨论 43-45 第四章推 拉型偶氮化合物三阶非线性光学性能的Z-Scan 实验测量 45-614. 1三阶非线性光学性能的实验测量 45-534. 1. 1 引言 454. 1. 2Z-Scan 技术的理论基础 45-491 .自作用效应 45-4

8、62. Z-Scan 技术的理论 46-494.1.3 实验测量 494. 1.4 结果讨论 49-524. 1.5 结论 52-534. 2推拉型偶氮化合物双光子吸收系数的测量 53-614. 2. 1 引言 534. 2.2 双光子吸收的基本理论 53-564. 2. 3 实验测量 564. 2. 4 结果讨论56-604. 2. 5 结论 60-61 第五章偶氮苯化合物 X （）及其响应时间的相位共轭四波混频研究 61-755. 1 引言 615. 2 前向简并四波混 频技术的理论探讨 61-675. 2. 1 非线性介质内强光相互作用的耦合 波方程61-625. 2 . 2 多波相互作用的耦合波方程及其近似解62-635. 2. 3 前向简并四波混频技术的理论 63-665. 2. 4 对 X （）产生贡献的物理机制 66-675. 3 前向简并四波混频实验测量 67-685. 4 结果和讨论 68-745. 5 小结 74-75 第六章偶氮苯材料三阶非线性光学 性能的激发态增强 75-866. 1 引言 75-766. 2 三阶非线性电极化率的激发态增强的理论探讨 76-786.3 实验 78-836.4 结果和讨论 83-856.5结论 85-86 第七章偶氮苯掺杂膜的色散型光学双稳态86-957. 1 引言867. 2 光学双稳态的理论描述 8