新型有机功能材料的双光子吸收特性及超快动力学研究

论文摘要

在光科学和光电子技术得到高速发展的当今时代,具有优异非线性光学性质的材料是一类令人注目且有重要应用潜力的新材料。双光子过程以其特有的光响应特性、非线性性质、三维处理能力和极高的空间分辨本领而在生物、物理、化学、医学、微电子技术等众多领域显示出变革性的应用潜力。目前双光子技术已应用于高密度数据存储、单分子检测、医疗诊断以及三维精细加工等领域的研究和开发,取得了重要的成果。为使这种新技术得到更广泛的应用,具有更优异性能的材料是实际应用的前提和基础,所以合成出具有较大双光子吸收截面和强的双光子荧光材料已经成为光学及其交叉学科中最诱人和最活跃的研究领域之一。而飞秒激光器的广泛使用和飞秒光谱学的日臻完善使人们对新型材料中的超快动力学过程的探测成为可能。由于这些快过程中包含着分子结构以及光与物质相互作用的丰富而重要的信息,对它们的深入研究就能为合成和优化新型材料,探索新颖器件和应用提供坚实和可靠的基础。因而,对具有双光子吸收能力材料的非线性光学和超快光动力学研究也就成为近年来光科学领域的前沿课题之一。本论文通过吸收光谱,荧光光谱,z扫描,飞秒泵浦-探测和时间分辨荧光等技术对一系列具有双光子吸收特性的有机化合物的非线性光学性质和超快光动力学特性进行了系统的研究。通过对不同化合物的实验测量结果的比较,分析了分子结构对材料的非线性光学性质以及光动力学特性的影响。取得的主要创新成果包括:1)通过光克尔门技术对时间分辨荧光的测量,我们发现,具有多枝结构的分子不同波长处的荧光弛豫特性很不相同,而枝数较少的分子的荧光弛豫则不随探测波长的变化而变化,且多枝结构分子的各向异性弛豫时间仅为720fs。研究结果表明枝数较多的分子中存在强烈的分子内耦合作用,会增强双光子吸收能力,这一观点在z扫描实验中也得到了证实。2)通过z扫描技术测量了多枝结构分子的双光子吸收截面,并研究了它们的溶剂效应。我们发现分子在极性大的溶剂中的双光子吸收截面也较大,在DMF中的双光子吸收截面是在THF中的7倍;其增强机制主要来源于分子内枝与枝之间的相互作用,对枝数很少的分子,分子内相互作用很弱,因而溶剂效应也不显著。3)泵浦-探测实验表明聚合物的激子迁移有较强的方向选择性,只能沿着聚合物主链的方向进行;在分子中引入强的电子给体、电子受体或者扩展分子的枝数都是很好的增强分子双光子吸收截面的方法。4)通过对两种金属酞菁衍生物的比较研究,我们发现酞菁中心金属原子对能量弛豫有着非常重要的影响。具有开壳层结构的金属原子（如钴）置于酞菁大π环中心时,最外层非成对电子与π轨道耦合会导致能级分裂,不仅加速了激发态的弛豫,还能有效淬灭荧光发射。5)我们还研究了三种结构的二芳基乙烯类分子的光致变色性能及变色对分子光学性质的影响,我们发现,含有电子给体基团的分子双光子吸收性能较好;分子变色后双光子吸收能力有明显的增强。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 双光子吸收的基本理论
• 1.2 双光子吸收的特点
• 1.3 双光子吸收的应用
• 1.4 双光子吸收分子研究的现状
• 1.5 本论文的结构
• 参考文献
• 第二章 实验系统与实验技术
• 2.1 飞秒激光系统
• 2.2 测量分子双光子吸收截面的几种常用方法
• 2.2.1 非线性透过率测试方法
• 2.2.2 瞬态吸收光谱方法
• 2.2.3 双光子诱导荧光法
• 2.2.4 z扫描方法
• 2.3 泵浦-探测实验方法
• 2.4 瞬态荧光实验方法
• 2.4.1 单光子计数技术
• 2.4.2 荧光上转换技术
• 2.4.3 光学克尔门技术
• 参考文献
• 第三章 多枝结构有机化合物的双光子吸收特性研究
• 3.1 样品制备
• 3.2 测试仪器和实验方法
• 3.3 分子结构和线性光谱
• 3.4 双光子吸收性质
• 3.5 瞬态吸收性质
• 3.6 瞬态荧光性质
• 3.7 本章小结
• 参考文献
• 第四章 具有给体受体的聚合物及盐类化合物的双光子吸收及动力学过程研究
• 4.1 简介
• 4.2 P系列寡聚物
• 4.2.1 材料制备和表征
• 4.2.2 双光子吸收性质研究
• 4.2.3 超快能量弛豫研究
• 4.2.4 小结
• 4.3 有机盐类化合物
• 4.3.1 材料制备和表征
• 4.3.2 双光子吸收性质研究
• 4.3.3 超快能量弛豫研究
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 金属酞菁衍生物的超快动力学过程研究
• 5.1 简介
• 5.2 材料的制备和表征
• 5.2.1 材料制备
• 5.2.2 分子结构和线性谱图
• 5.3 超快能量弛豫研究
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 二芳基乙烯类光致变色化合物的超快动力学过程研究
• 6.1 简介
• 6.2 材料制备和吸收光谱
• 6.3 单、双光子荧光发射研究
• 6.4 超快能量弛豫研究
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 论文总结
• 附录1 在学期间发表的学术论文
• 致谢