金属有机Au（dmit）2和Ni（dmit）2配合物材料的三阶非线性光学特性研究

论文摘要

光纤通信作为一门新兴技术,其在近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的,也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。在光波密集波分复用（DWDM）基础上组建全光网络（AON）,被众多研究者认为是通信技术发展的必然趋势。全光开关是全光网络中关键的器件之一,它基于非线性原理实现以光控光,具有快的开关响应速度和高的效率。非线性光学材料在超快全光开关、激光调Q开关、高密度光存储器等光学器件中具有重要的应用价值,越来越成为研究的热点。近年来,金属有机配合物作为一种新型的非线性光学材料受到广泛的关注。它的非线性极化率高、结构灵活、且易于进行分子裁剪。本论文以寻找适用于全光开关的三阶非线性光学材料为主要目标,系统地研究了四种dmit类金属有机配合物材料的线性和非线性光学特性。主要工作内容如下：第一,选择Au、Ni作为中心金属离子,[（C2H5）4N]+、[（C3H7）4N]+作为外部阳离子,合成了四种dmit类金属有机配合物材料[（C2H5）4N][Ni（dmit）2]、[（C3H7）4N][Ni（dmit）2]、[（C2H5）4N][Au（dmit）2]和[（C3H7）4N][Au（dmit）2]（简写为EtNi、PrNi、EtAu和PrAu）。其中,两种Au（dmit）2系列配合物材料的三阶非线性光学特性被我们首次报道。第二,使用分光光度计和棱镜耦合仪研究了材料的线性光学性质,并通过激光Z扫描方法研究了材料的三阶非线性光学特性。激光Z扫描方法实验装置简单、灵敏度和精确度高,并且可以区分三阶非线性极化率x（3）的实部（非线性折射率n2）和虚部（非线性吸收系数β）。通过选择不同波长和脉宽的激光器作为Z扫描装置的激光光源,得到了材料在不同测试波长和脉宽下的三阶非线性光学特性。第三,通过Z扫描方法,并分别采用1064 nm、20 ps,532 nm、14 ps和1053nm、18 ns等激光,系统地研究了四种材料的乙腈溶液的三阶非线性光学特性,并着重对影响材料三阶非线性光学特性的多种因素进行了研究,得到了一系列重要结果：一、研究了新型配合物的分子结构对线性吸收光谱和三阶非线性光学特性的影响,发现决定dmit类配合物材料的线性和非线性光学特性的主要因素是中心金属离子,改变外部阳离子只能使光学特性的强弱发生变化；二、研究了新型配合物Au（dmit）2皮秒脉冲条件下在波长532 nm和1064 nm处的三阶非线性光学特性,从线性吸收光谱的角度上对出现的性能差异进行了分析；三、研究了新型配合物Ni（dmit）2在1064 nm、20 ps和1053 nn、18 ns条件下的非线性吸收特性,结果证明材料的三阶非线性性质受激光脉宽的影响还是较为明显的,对出现的性能差异进行了讨论；四、通过处理得到的Z扫描数据,将得到的Au（dmit）2和Ni（dmit）2材料在1064nnm、20ps条件下的三阶非线性极化率、非线性折射率、非线性吸收系数,并结合测试样品的浓度计算得到了材料的分子二阶超极化率,确定了其在皮秒脉冲、近红外波段下最适用的领域：适用于全光开关的Au（dmit）2系列配合物材料、适用于饱和吸收体的Ni（dmit）2系列配合物材料。第四,为了优化Au（dmit）2系列材料的三阶非线性光学特性,并提高其在全光开关领域的实用价值,将筛选出的综合性能较为优良的PrAu材料,利用旋涂法制备了PrAu/PMMA复合薄膜,并通过Z扫描方法研究了薄膜在1064 nm、20 ps条件下的三阶非线性光学特性。通过对比分析PrAu溶液和PrAu/PMMA薄膜的测试结果,可以发现PrAu材料在这两种形态下的性质十分稳定。而薄膜的三阶非线性折射率n2和三阶非线性极化率x（3）比溶液高出三个数量级,表明薄膜的三阶非线性光学特性较溶液有显著改善。并且发现该材料在1064 nm处具有高的离共振三阶非线性光学效应,满足全光开关对材料品质因子W=n2I0/a0λ和T=βνn2（且|W|>>1,|T|<<1）的要求。综合各项数据表明,dmit类金属有机配合物材料是一类性能优良的三阶非线性光学材料,在近红外波段具有潜在的应用价值。本研究工作得到了国家自然科学基金（批准号：60778037和50772059）和高等学校全国优秀博士论文专项资金课题（批准号：200539）的支持。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 材料三阶非线性光学性能的研究背景
• 1.2 三阶非线性光学材料的研究现状
• 1.3 几种常用的三阶非线性光学性能的表征方法
• 1.4 论文的研究目的和主要内容
• 第二章 三阶非线性光学原理
• 2.1 介质的非线性极化现象
• 2.2 非线性折射率、非线性吸收系数与非线性极化率的关系
• 2.3 三阶非线性折射率
• 2.4 非线性吸收
• 第三章 Z扫描方法的原理与推导
• 3.1 Z扫描方法的基本原理
• 3.2 Z扫描方法的理论推导
• 3.2.1 非线性折射率的计算
• 3.2.2 非线性吸收系数的计算
• 3.2.3 三阶非线性极化率和分子二阶超极化率
• 第四章 DMIT类配合物材料在溶液中的三阶非线性光学性能研究
• 4.1 Z扫描实验技术
• 4.1.1 Z扫描实验装置
• 4.1.2 焦点处的功率密度
• 4.1.3 Z扫描实验中的常用溶剂
• 4.2 样品的制备
• 2系列配合物材料'>4.3 Au（dmit）₂系列配合物材料
• 4.3.1 1064nm、20ps条件下的Z扫描研究
• 4.3.2 532nm、14ps条件下的Z扫描研究
• 2系列配合物材料'>4.4 Ni（dmit）₂系列配合物材料
• 4.4.1 1064nm、20ps条件下的Z扫描研究
• 4.4.2 1053nm、18ns条件下的Z扫描研究
• 4.5 四种材料的实验结果对比分析
• 第五章 PrAu/PMMA复合薄膜的三阶非线性光学性能研究
• 5.1 PrAu/PMMA聚合物复合薄膜的制备
• 5.2 薄膜线性光学参数的测试
• 5.3 薄膜非线性光学参数的测试
• 第六章 总结
• 6.1 研究意义和主要结论
• 6.2 下一步的工作计划和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的文章
• 学位论文评阅及答辩情况表