非线性光学薄膜材料DCDHF-2-V/PMMA的制备及性能研究

论文摘要

非线性光学（NLO）作为一门新兴学科,在激光技术、光学通讯、数据储存、光信息处理等方面有着十分诱人的应用前景。与无机NLO材料相比较,有机聚合物材料的NLO性能尤为突出,发展非常迅速,已引起国内外众多科研机构、公司以及军事部门的高度重视。本论文介绍了几种主要的二阶非线性光学材料,较详细地叙述了有机聚合物二阶NLO材料的特点及其最新的研究进展。利用量子化学软件Gaussian03,在6-31G基组上对新型有机生色团分子DCDHF-2-V进行闭壳层Hartree-Fock量子化学理论计算,得到其一阶超极化率β值为62.508×10-30esu。将生色团分子掺入光学性能良好的聚合物PMMA基体中,用旋涂方法制备了聚合物薄膜。详细描述了从聚合物提纯、基片清洗、有机聚合物溶液制备到甩胶成膜的工艺过程,介绍了一些得到非中心对称二阶NLO光学材料的方法及全光极化。采用电晕极化的方法对制备出的聚合物薄膜进行了极化取向,使薄膜呈现宏观的非中心对称性。用紫外-可见光分光光度计（UV-Vis）分析了极化前、后聚合物薄膜的吸收光谱,得到极化序参数φ为31.45%。用原子力显微镜（AFM）测试了极化前、后聚合物薄膜的表明形貌,发现极化前聚合物薄膜表面平整、膜层均匀。电晕极化使薄膜表面产生很多尖峰,并沿电场方向取向。随着时间的推移,吸收光谱的吸收峰峰值有所回升,薄膜内形成的尖峰变得圆滑,这是由于聚合物内原先已经极化取向的分子发生了取向松弛。用光谱椭偏仪测量了薄膜的折射率和膜厚,基于此采用图解法分析了几个波长条件下光在聚合物薄膜波导中的传播模式。介绍了Maker条纹法测量有机聚合物薄膜非线性系数的原理,并用此方法测得了DCDHF-2-V/PMMA薄膜的非线性光学系数d33值为17.2 pm/V。基于量子化学理论计算得到的β值,根据一维刚性取向气体模型（1DROGM）计算得到了薄膜的d33值为26.4 pm/V。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 非线性光学的发展概况
• 1.3 非线性光学（NLO）材料
• 1.3.1 无机NLO 材料
• 1.3.1.1 无机NLO 单晶材料
• 1.3.1.2 低维NLO 半导体材料
• 1.3.1.3 NLO 玻璃材料
• 1.3.2 有机NLO 材料
• 1.3.2.1 有机低分子NLO 材料
• 1.3.2.2 有机聚合物NLO 材料
• 1.3.2.3 金属有机NLO 材料
• 1.4 本课题的研究目标、内容和技术路线
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 内容和技术路线
• 第二章 DCDHF-2-V/PMMA 体系中各组成的理论计算
• 2.1 生色团分子及主体聚合物介绍
• 2.1.1 DCDHF-2-V 生色团分子介绍
• 2.1.2 PMMA 主体聚合物介绍
• 2.2 非线性光学极化率
• 2.3 非线性极化率的量子化学计算方法简介
• 2.3.1 有限场法（Finite-Field Method）
• 2.3.2 解析求导法（Analytical Derivatives）
• 2.3.3 态求和方法（Sum-Over-States,SOS）
• 2.3.4 耦合振子法（Coupled-Oscillator,CO）
• 2.4 一阶超极化率的理论计算
• 2.4.1 计算过程
• 2.4.2 结果分析
• 第三章 DCDHF-2-V/PMMA 薄膜的制备和极化处理
• 3.1 薄膜的制备
• 3.1.1 PMMA 的提纯
• 3.1.2 基片的清洗
• 3.1.3 薄膜的旋涂
• 3.2 薄膜的极化处理
• 3.2.1 极化方法介绍
• 3.2.1.1 电场极化
• 3.2.1.2 全光极化
• 3.2.2 电晕极化实验
• 3.2.2.1 实验装置
• 3.2.2.2 实验步骤
• 3.2.2.3 结果与讨论
• 第四章 DCDHF-2-V/PMMA 薄膜的性能表征
• 4.1 薄膜的 UV-Visible 吸收频谱
• 4.2 薄膜的原子力显微镜（AFM）分析
• 4.3 薄膜膜厚及折射率的椭偏测试
• 4.3.1 椭偏测量原理
• 4.3.2 薄膜样品的测试
• 4.4 薄膜波导传播模式分析
• 4.5 二阶NLO 系数的测量
• 4.5.1 测量方法简介
• 4.5.2 Maker 条纹测量法
• 4.5.3 一维刚性取向气体模型计算法
• 4.5.4 存在问题与讨论
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间的研究成果