基于衰减全反射技术的聚合物非线性光学参数测量方法的研究

论文摘要

在高速、大容量信息处理过程中,光子技术和光子学材料得到了极为迅速的发展。近年来光纤通讯、光信号处理和光计算的发展极大地推动了非线性光学（NLO）材料的研究和应用。NLO聚合物材料因其快速响应时间和较大的二阶、三阶非线性极化率而倍受关注,它具有其它NLO材料无法比拟的合成和加工优势,结构易于剪裁,同时具有良好的机械性能、高的激光损伤阈值。聚合物NLO材料大规模生产的每个成熟的聚合步骤成本都很低廉,因而近十年来聚合物NLO材料已取得了十分可喜的进展。光子与NLO聚合物的非线性相互作用特性的研究与测量,是发展多样化非线性光子器件的理论基础。快捷有效的表征用于光子器件的NLO聚合物材料中有关的非线性光学过程参数,对合理选择有关的功能分子及优化设计光子学器件也是十分重要的。衰减全反射结构是光学上一种较为特殊的反射型结构,在一定的条件下,反射光的空间强度和频谱成分都会受到结构参数的控制和影响,同时反射光也携带上了结构本身的信息。因此利用衰减全反射原理可以用来测量有机聚合物光波导的电光系数。本论文在此基础上,提出了基于衰减全反射技术的NLO聚合物非线性光学特性测量的新方法。基于衰减全反射技术,分别利用Pockel和Kerr电光过程,实现了对聚合物非线性过程参数:线性电光系数和二次电光系数的同时测量;实现了对三阶非线性过程参数:Kerr电光张量元、二阶分子超极化率和二阶复分子超极化率的测量;同时采用密度矩阵理论的二能级模型近似,将二阶分子超极化率γ（ωω;0,0,ω）的频率项和非频率项分离,获得三阶非线性光学参数γ（ -ω4 ;ω3 ,ω2 ,ω1）在整个非谐振区的色散关系。本论文提出的方法由于利用了衰减全反射技术,即使进入波导的激光功率较小,也能够得到较高的功率密促成各种非线性光子耦合效应的显著发生。我们不需要高功率脉冲激光,仅采用低功率连续半导体激光器实现了对聚合物非线性参数的测量,并且测量的灵敏度较高,不需要锁相放大器就可以检测到信号,实验设备简单、成本低。在一套实验测试平台上,实现了对共轭聚合物材料多个非线性参数的测量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 序论
• 1.1 非线性光学与非线性光学材料
• 1.2 具有非线性效应的聚合物材料
• 1.3 研究具有非线性效应聚合物材料的意义
• 1.4 本文内容及架构
• 参考文献
• 第二章 衰减全反射原理
• 2.1 介质平板波导
• 2.1.1 平板光波导
• 2.1.2 平板波导的模式
• 2.1.3 平板波导的导模
• 2.1.4 平板波导的传播常数
• 2.2 表面等离子波
• 2.2.1 表面等离子波存在条件
• 2.2.2 表面等离子波的损耗特性
• 2.2.3 表面等离子波的实验激发
• 2.2.4 非对称金属包覆波导
• 2.3 棱镜-波导耦合系统
• 2.3.1 工作原理和m 线光谱学
• 2.3.2 反射率公式与衰减全反射（ATR）谱
• 2.3.3 光波导薄膜厚度和折射率的测量
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 利用ATR 方法同时测量聚合物一次和二次电光系数
• 3.1 引子
• 3.2 有机聚合物的电光效应
• 3.2.1 有机聚合物电光效应的非线性光学表述
• 3.2.2 有机聚合物电光效应的折射率椭球表述
• 3.3 测量电光效应的各种方法
• 3.3.1 Mach-Zehnder 干涉仪法
• 3.3.2 直接反射技术法
• 3.3.3 基于相位延迟的十字镜起偏器法
• 3.3.4 Kramers-Kronig 关系法
• 3.4 一次电光效应和二次电光效应的起源
• 3.4.1 一次电光效应的起源
• 3.4.2 二次电光效应的起源
• 3.5 利用ATR 方法同时测量聚合物一次和二次电光系数
• 3.5.1 测量原理
• 3.5.2 实验用的同时具有一次和二次电光效应的聚合物PF8-BT-
• 3.5.3 样品制备和相关参数测量
• 3.5.4 实验装置
• 3.5.5 实验数据处理方法
• 3.5.6 实验数据处理
• 3.5.7 误差分析
• 3.6 总结
• 参考文献
• 第四章 利用ATR 方法测量聚合物在非谐振区二阶超极化率分量
• 4.1 引子
• 4.2 分子超极化率
• 4.3 二次电光系数、极化率和分子超极化率之间的关系
• 4.3.1 局域场因子
• 4.3.2 实验室坐标系与分子坐标系的转换
• 4.3.3 各向同性聚合物分子系统的取向平均
• 4.4 二能级近似下的二阶分子超极化率
• 4.4.1 一维共轭长链分子的二阶分子超极化率
• 4.4.2 具有空间对称结构分子的二阶超极化率
• 4.5 利用ATR技术测量聚合物分子二阶分子超极化率分量γ（- ω;0,0,ω）
• 4.5.1 实验原理
• 4.5.2 实验材料
• 4.5.3 在各个不同波长下的二阶分子超极化率分量
• 4.6 总结
• 参考文献
• 第五章 聚合物的二阶复分子超极化率的测定
• 5.1 引子
• 5.2 测量聚合物三阶复非线性参数的方法
• 5.2.1 Z 扫描法
• 5.2.2 二次电吸收技术
• 5.3 损耗对波导导模的影响
• 5.3.1 聚合物导波层折射率虚部对导模的影响
• 5.3.2 金属包覆层折射率虚部对导模的影响
• 5.4 利用ATR 方法测量聚合物二阶复分子超极化率
• 5.4.1 实验原理
• 5.4.2 实验材料
• 5.4.3 实验和数据处理
• 5.5 总结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本论文的主要工作和创新点
• 6.2 今后工作的展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间取得的科研成果