激光沉积TiO2基复合薄膜及其光学特性

论文摘要

在本论文工作中,我们利用脉冲激光沉积（PLD）技术生长了TiO2薄膜和掺Au纳米颗粒的TiO2复合薄膜,并对薄膜的结构和光学性质进行了详细研究,采用飞秒激光和Z扫描方法测量了薄膜的非线性光学性质,所制备的薄膜表现出优良的非线性光学性质。论文的主要内容和结论如下:（1）系统研究了在PLD制备TiO2薄膜过程中基片沉积温度、氧气分压、激光能量密度等参数对于TiO2薄膜结构的影响。利用PLD技术在Si（100）基片和石英玻璃基片上制备了C轴取向的锐钛矿相TiO2薄膜和（110）择优取向的金红石相薄膜,X射线衍射（XRD）、红外光谱、拉曼光谱结果显示薄膜具有良好的结晶性能。（2）采用Z扫描技术对制备的锐钛矿相和金红石相TiO2薄膜的光学非线性进行了研究,测试中采用了放大级飞秒激光和振荡级飞秒激光作为光源。当采用放大级飞秒激光进行测量时,锐钛矿相和金红石相TiO2薄膜的非线性折射率分别为-6.32×1017m2/W和-2.7×10-17m2/W,非线性吸收系数分别为-6.2×10-11m/W和-2.6×10-10m/W;当采用振荡级飞秒激光进行测量时,薄膜表现出负的非线性吸收系数和正的非线性折射率。（3）采用PLD方法制备了不同掺杂浓度的Au:TiO2复合薄膜,采用XRD方法分析了薄膜的晶体结构。通过透射光谱分析了复合薄膜的线性光学性质。采用Z扫描方法测量了复合薄膜的非线性光学性质。采用放大级飞秒激光为光源时,薄膜的非线性吸收系数和非线性折射率均为负,随着掺杂浓度的提高,非线性效应增强;采用振荡级飞秒激光为光源时时,薄膜的非线性折射率为正,然而在退火前薄膜随着Au掺杂浓度的增长非线性吸收系数由负变正,退火后薄膜的非线性吸收系数均为负。（4）采用PLD的方法制备了Au/TiO2多层薄膜,测量了薄膜的透射光谱,结果表明随着Au掺杂浓度的增加,多层薄膜的吸收峰发生了红移。采用放大级飞秒激光对复合薄膜的非线性光学性质进行了Z扫描测量,结果表明薄膜的非线性吸收系数和非线性折射率均为负。（5）在石英玻璃基片上制备了掺杂周期阵列排布Au颗粒的TiO2复合薄膜,研究了Au颗粒大小和TiO2基质对薄膜的吸收峰的影响,结果表明随着Au颗粒的增长和TiO2基质的加入,吸收峰发生红移。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 薄膜制备技术
• 1.1.1 薄膜制备技术简介
• 1.1.2 PLD技术
• 2薄膜制备及其三阶非线性光学性质的研究'>1.2 TiO₂薄膜制备及其三阶非线性光学性质的研究
• 1.3 金属纳米复合薄膜的三阶非线性光学性质研究
• 1.4 论文的主要工作
• 2 Z扫描技术
• 2.1 Z扫描技术
• 2.1.1 三阶非线性光学性能的测试方法
• 2.1.2 高斯光束的自聚焦和自散焦
• 2.1.3 Z扫描技术的基本原理
• 2.2 Z扫描技术的理论计算
• 2.2.1 非线性折射率的计算
• 2.2.2 非线性吸收系数的计算
• 2.3 热效应的影响
• 2.3.1 折射率变化的物理机制
• 2.3.2 热效应
• 2.3.3 高重复频率飞秒激光的Z扫描理论
• 2.4 Z扫描测试系统
• 本章小结
• 2薄膜的制备及其光学性质'>3 TiO₂薄膜的制备及其光学性质
• 2薄膜的PLD制备'>3.1 TiO₂薄膜的PLD制备
• 3.1.1 实验参数
• 3.1.2 实验过程
• 3.1.3 测量
• 3.2 薄膜的结构特性
• 3.2.1 PBC理论模型
• 3.2.2 XRD结果
• 2薄膜的表面形貌分析'>3.3 TiO₂薄膜的表面形貌分析
• 2薄膜的光学性质'>3.4 TiO₂薄膜的光学性质
• 3.4.1 红外光谱
• 3.4.2 拉曼光谱
• 3.4.3 透射光谱
• 3.4.4 放大级飞秒激光作用下的非线性光学性质
• 3.4.5 振荡级飞秒激光作用下的非线性光学性质
• 本章小结
• 2纳米复合薄膜的制备及其光学性质'>4 Au:TiO₂纳米复合薄膜的制备及其光学性质
• 4.1 纳米金属颗粒复合体系的光学性质
• 4.1.1 金属颗粒的吸收特性
• 4.1.2 金属纳米颗粒的三阶非线性
• 2薄膜的PLD制备'>4.2 Au:TiO₂薄膜的PLD制备
• 4.2.1 薄膜样品的制备
• 4.2.2 样品的表征
• 4.2.3 成分和结构分析
• 2薄膜的光学性质'>4.3 Au:TiO₂薄膜的光学性质
• 4.3.1 光吸收性质
• 4.3.2 放大级飞秒激光作用下的非线性光学性质
• 4.3.3 振荡级飞秒激光作用下的非线性光学性质
• 2多层薄膜的PLD制备及其光学性质'>4.4 Au/TiO₂多层薄膜的PLD制备及其光学性质
• 2多层薄膜的PLD制备'>4.4.1 Au/TiO₂多层薄膜的PLD制备
• 2多层薄膜的线性光学性质'>4.4.2 Au/TiO₂多层薄膜的线性光学性质
• 2多层薄膜的非线性光学性质'>4.4.3 Au/TiO₂多层薄膜的非线性光学性质
• 2薄膜的光学性质'>4.5 周期阵列结构的Au:TiO₂薄膜的光学性质
• 4.5.1 薄膜的制备
• 4.5.2 线性光学性质
• 4.5.3 非线性光学性质
• 本章小结
• 2多层薄膜的光学性质'>5 Ag/TiO₂多层薄膜的光学性质
• 2多层薄膜的制备'>5.1 Ag/TiO₂多层薄膜的制备
• 2多层薄膜的线性光学性质'>5.2 Ag/TiO₂多层薄膜的线性光学性质
• 2多层薄膜的非线性光学性质'>5.3 Ag/TiO₂多层薄膜的非线性光学性质
• 本章小结
• 6 总结和展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 攻读博士学位期间申请专利目录