脉冲激光沉积铜氧化物薄膜及其非线性光学特性

论文摘要

具有大的光学非线性的薄膜由于在光信息存储、光限幅、全光开关等方面有着广泛的应用前景而吸引了众多研究者的兴趣。金属氧化物由于具有优良的光、电、磁等性能,以及大的光学非线性极化率和快的光学非线性响应也吸引了越来越多的注意。本学位论文通过脉冲激光沉积技术（PLD）在Si（100）和熔融石英基片上制备了铜的氧化物薄膜,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,结果表明所制备的薄膜具有较好的非线性光学性质。论文的主要内容和结论如下:（1）采用PLD在Si（100）和熔融石英基片上制备了CuO与Cu2O薄膜。通过调节生长温度和氧分压得到了纯相的薄膜。通过X射线衍射仪、拉曼光谱仪、场发射扫描电镜、红外光谱仪和紫外可见光光度计对薄膜的结构、表面形貌和光学性质进行了表征。其结果表明PLD系统可以控制CuO与Cu2O薄膜的生长而且制备得到的薄膜质量较好。场发射扫描电镜显示500 oC下生长的CuO薄膜晶粒尺寸约为45 nm且排列致密分布均匀。另外,光电子能谱分析还表明Cu2O薄膜表面CuO相的存在。（2）结合飞秒激光（800 nm, 50 fs）和Z扫描方法测量了薄膜的三阶非线性光学特性。飞秒激光放大级Z扫描测量结果显示CuO的非线性折射率和非线性吸收系数均为负值,其大小分别为-3.96×10-17 m2/W和-1.69×10-10 m/W。而Cu2O薄膜的非线性光学系数要小于CuO薄膜,其非线性折射率和非线性吸收系数分别为-2.81×10-17 m2/W和-4.28×10-11 m/W。我们对CuO与Cu2O薄膜光学非线性机理以及非线性相应的差异进行了初步分析。（3）在振荡级开孔Z扫描测量中,Cu2O薄膜仍为饱和吸收,然而CuO薄膜则表现出完全不同的非线性反饱和吸收特性。高重复频率下的光限幅测试表明CuO薄膜在高重复频率下具有良好的光限幅特性。振荡级闭孔Z扫描测量表明CuO与Cu2O薄膜的非线性折射率均为正值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 概论
• 1.1 课题研究背景及其意义
• 1.2 金属氧化物薄膜的三阶非线性光学特性研究进展
• 1.3 论文的主要研究内容
• 2 脉冲激光沉积技术
• 2.1 脉冲激光沉积系统概述
• 2.2 脉冲激光沉积原理
• 2.3 PLD 制膜技术的特点
• 3 Z 扫描技术
• 3.1 Z 扫描技术的理论
• 3.2 Z 扫描技术的相关计算
• 3.3 热效应的影响
• 4 脉冲激光沉积CuO 和Cu20 薄膜
• 4.1 PLD 制备CuO 和Cu20 薄膜
• 4.2 薄膜的结构特性
• 4.3 薄膜表面的形貌和价态特性分析
• 4.4 薄膜的光学特性
• 5 CuO 和Cu20 薄膜的非线性光学特性
• 5.1 飞秒激光放大级作用下薄膜的非线性光学性质
• 5.2 飞秒激光振荡级测量薄膜的非线性光学性质
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间完成的论文
• 附录2 攻读硕士学位期间获得的奖励