银纳米粒子掺杂的向列液晶二波耦合特性研究

论文摘要

向列液晶是一类性能优异的非线性光学材料,在液晶中掺入少量的光敏剂可以显著提高其非线性。本论文从理论和实验两个方面研究银纳米粒子以及染料包覆银纳米粒子的掺入对液晶材料光折变非线性特性的影响,并对液晶中记录的薄光栅的衍射特性、波耦合放大特性进行了详细研究。首先理论计算了少量银纳米粒子掺入向列液晶构成的有机无机复合材料体系的有效介电张量,结果表明银纳米粒子的掺杂将产生材料体系的介电各向异性增强。而液晶薄膜中光折变效应主要是由光致载流子的激发、扩散形成的空间电荷场以及Carr-Helfrich效应造成的,这表明材料体系的介电各向异性增强也将增大材料内部的空间电荷场。进一步考虑银纳米粒子的表面等离子激元激发所产生的局域场增强效应,也将进一步增强材料内部空间电荷场,进而增强液晶的光折变非线性特性。实验制备了银纳米粒子掺杂以及染料包覆银纳米粒子掺杂的向列液晶薄膜,液晶分子平行表面排列,选用532nm绿光作为二波耦合实验的记录光,He-Ne激光作为探测光,实验测量了光折变光栅一级衍射效率随外加电压、写入光夹角、入射光功率以及光强比的依赖关系。对于染料包覆银纳米粒子掺杂的样品,在外加电压为3.4V、写入光夹角为0.95、光强比为1:1时可得到高达15.1%的衍射效率。而对于银纳米粒子掺杂的样品,在外加电压为4.1V、记录光夹角0.95时可得最佳衍射效率为16.24%,是未掺杂液晶的16倍左右,这说明掺杂染料包覆银纳米粒子以及银纳米粒子可以极大地增强液晶的光折变非线性效应。在染料包覆银纳米粒子掺杂的样品中,在二波耦合条件下,实验中还观察到由于横向失稳形成了显著增强的二维点阵结构的横向模式图样。二波耦合实验过程中,记录光的耦合伴随着能量的非对称转移,对于染料包覆银纳米粒子掺杂的样品,由于材料的散射较严重,记录光之间的能量耦合较弱,实验结果表明在外加电压为3.4V时,增益系数可达34cm-1。对于银纳米粒子掺杂的向列液晶薄膜,在固定泵浦光、信号光光强之比为100:1时最大增益系数为1664cm-1。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 向列液晶光折变特性研究状况
• 1.3 本论文的动机和目的
• 1.4 本论文的研究内容和结构
• 第2章 银纳米粒子掺杂对向列液晶非线性的影响
• 2.1 引言
• 2.2 向列液晶中取向光折变机理
• 2.2.1 电荷扩散和漂移形成的空间电荷场
• 2.2.2 电导率和介电各向异性形成的空间电荷场
• 2.3 银纳米粒子掺杂对向列液晶介电各向异性的影响
• 2.4 银纳米粒子掺杂引起的向列液晶体系局域场增强特性
• 2.5 本章小结
• 第3章 掺杂金属银纳米粒子向列液晶的衍射特性
• 3.1 引言
• 3.2 银纳米粒子的制备及液晶盒的制作
• 3.2.1 银纳米粒子的制备
• 3.2.2 液晶盒的制作
• 3.2.3 透射光谱的测量
• 3.3 银纳米粒子掺杂向列液晶衍射效率的测量
• 3.3.1 实验光路图
• 3.3.2 一阶衍射效率与外加电压的变化关系
• 3.3.3 一阶衍射效率与记录光夹角的变化关系
• 3.3.4 一阶衍射效率与记录光光强的变化关系
• 3.3.5 一阶衍射效率与记录光光强比的变化关系
• 3.4 光折变光栅的动态衍射特性
• 3.4.1 光栅建立的动态过程
• 3.4.2 光栅建立的响应时间
• 3.5 本章小结
• 第4章 银纳米粒子掺杂向列液晶中横向模式增强实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 二波耦合条件下二维点阵结构的横向模式增强实验观测
• 4.2.1 二维点阵图样随外加电压的变化
• 4.2.2 二维点阵图样随记录光夹角的变化
• 4.2.3 探测光读出的二维点阵图样
• 4.3 单光束入射时的横向模式实验观测
• 4.4 横向模式增强机理的初步研究
• 4.4.1 透过率随外加电压的关系
• 4.4.2 横向模式增强的理论分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 银纳米粒子掺杂向列液晶中光折变增益特性
• 5.1 引言
• 5.2 液晶薄膜中的波耦合特性
• 5.3 液晶薄膜中的光放大特性
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢