飞秒激光诱导无机—有机杂化光子学微结构与非线性光学材料的研究

论文摘要

飞秒激光具有极高的峰值功率及很短的脉冲持续时间，用它对材料进行微结构修饰是当今材料和信息科学研究的一个新领域。无机-有机杂化材料集无机、有机性质于一体，不仅兼有无机、有机材料两者的性能优势，并能够实现功能互补和协同优化，在光电应用中显示出了巨大的发展潜力。如何利用飞秒激光来诱导和调控无机-有机杂化材料的微结构，以获得光子学新材料，已经成为了材料科学、物理和信息等领域广泛关注和研究的热点课题。本论文对飞秒激光诱导无机-有机杂化光子学微结构与非线性光学材料进行了比较详细的研究。研究的主要内容包括偶氮染料掺杂杂化材料的飞秒激光诱导双折射性能、酞菁染料掺杂无机-有机杂化材料的飞秒激光诱导光Kerr效应、有机染料掺杂材料的飞秒激光诱导体微光栅以及偶氮染料掺杂无机-有机杂化材料的非共振全光极化等研究。实现了偶氮染料掺杂无机-有机杂化材料和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物的飞秒激光诱导双折射效应，两种材料的光诱导透过率分别为92％(折射率改变值为5.2×10-5)和21％(折射率改变值为1.6×10-4)。通过对光诱导双折射效应信号的测量，考察了光诱导双折射效应的写入过程和衰减过程。研究表明偶氮染料掺杂PMMA聚合物的光诱导双折射效应主要来源于偶氮分子的重新取向，而偶氮染料掺杂无机-有机杂化材料的光诱导双折射效应主要来源于偶氮分子的光致异构。研究了飞秒激光写入参数对偶氮染料掺杂PMMA聚合物的光诱导双折射效应的影响。研究发现偶氮染料掺杂PMMA聚合物在下列三种写入情况下，飞秒激光诱导双折射的上升速率和信号强度的饱和值由写入光的峰值功率控制：激光重复率、脉冲宽度固定，而改变激光功率；激光功率、脉冲宽度固定，而改变激光重复率；激光功率、重复率固定，而改变激光脉冲宽度。但是，当激光脉冲宽度、脉冲能量固定，而改变写入激光重复率，飞秒激光诱导双折射的上升速率和信号强度的饱和值则由写入光的平均功率控制。考察了样品厚度对偶氮染料掺杂无机-有机杂化材料的飞秒激光诱导双折射效应的影响。研究发现增加样品的厚度会加快光诱导双折射的上升速率，减慢光诱导双折射的衰减速率；光诱导双折射信号强度的饱和值Tsat随样品厚度的增加有明显的增加，最终达到饱和值（80％）；长时间稳定信号强度Tperm受样品厚度的影响很小。基于飞秒激光诱导双折射效应，在偶氮染料掺杂无机-有机杂化材料中实现了光学存储，存储的图像可以保持几星期。获得了酞菁铅掺杂无机-有机杂化材料的飞秒激光诱导超快响应的光Kerr效应。超快响应时间约为200fs，超快响应过程控制整个光Kerr效应信号强度的衰减过程。通过光Kerr效应信号强度和泵浦光功率的关系研究，探明光Kerr效应来源于酞菁铅的三阶非线性光学效应；通过光Kerr效应信号强度和泵浦光与偏振光的偏振方向夹角θ之间的关系研究表明，光Kerr效应来源于飞秒激光诱导瞬态光栅引起的自衍射效应。针对微光栅高衍射效率的要求，研究建立了飞秒激光诱导杂化材料体微光栅的新工艺。考察研究了利用飞秒激光双光束干涉的方法制作激光染料P-Orange掺杂无机-有机杂化材料的一维体微光栅，体微光栅的厚度超过450μm，一级Bragg衍射效率约为35％。在一维体微光栅的基础上，采用四束飞秒激光干涉的方法研究制作偶氮染料（DR1和DY9）和酞菁镍（NiPc）掺杂无机-有机杂化材料的四方晶格类型的二维体微光栅。在相同写入激光条件下，DR1掺杂PMMA聚合物的二维体微光栅的条纹宽度比DY9掺杂无机-有机杂化材料的二维体微光栅的条纹宽度小。研究表明，在相同写入条件下，没有观察到未掺染料无机-有机杂化材料的体微光栅，可见飞秒激光诱导体微光栅的形成直接与掺杂染料相关。实现了偶氮染料掺杂无机-有机杂化材料的非共振全光极化。通过对二次谐波的测量，研究了非共振全光极化的写入过程和衰减过程。研究表明偶氮染料掺杂无机-有机杂化材料的非共振全光极化主要来源于偶氮分子的光致异构。测得DR1掺杂杂化材料的二阶非线性光学系数d33约为10-3pm/V。在基频光与倍频光功率之比固定在750：1的前提下，随基频光功率的增加二次谐波信号强度的衰减被抑制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪言
• 1.1 研究背景和现状
• 1.2 问题的提出
• 1.3 本文的工作
• 第二章 光子学微结构与非线性光学材料的研究现状与进展
• 2.1 引言
• 2.2 光子学微结构的研究进展
• 2.2.1 光诱导双折射
• 2.2.2 光诱导微光栅
• 2.2.3 光诱导Kerr效应
• 2.3 二阶非线性光学材料的研究进展
• 2.3.1 非线性光学理论
• 2.3.2 电场极化的二阶非线性光学材料
• 2.3.3 全光极化的二阶非线性光学材料
• 参考文献
• 第三章 实验方法
• 3.1 研究方法确定依据
• 3.2 样品的制备
• 3.2.1 染料掺杂聚合物基复合材料的制备
• 3.2.2 染料掺杂无机-有机杂化材料的制备
• 3.3 飞秒激光微细加工平台
• 3.4 样品的紫外-可见-近红外吸收光谱（UV-Vis-NIR）
• 参考文献
• 第四章 偶氮掺杂杂化材料的飞秒激光诱导双折射
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 样品
• 4.2.2 飞秒激光诱导双折射实验
• 4.3 偶氮掺杂PMMA聚合物的光诱导双折射
• 4.3.1 光诱导双折射的写入过程和衰减过程
• 4.3.2 泵浦激光参数对光诱导双折射的影响
• 4.4 偶氮掺杂无机-有机杂化材料的光诱导双折射
• 4.4.1 光诱导双折射的写入过程和衰减过程
• 4.4.2 泵浦激光功率对光诱导双折射衰减的影响
• 4.4.3 样品厚度对光诱导双折射的影响
• 4.4.4 偶氮种类对光诱导双折射的影响
• 4.5 偶氮掺杂PMMA聚合物和无机-有机杂化材料的光诱导双折射比较
• 4.6 偶氮掺杂无机-有机杂化材料的光诱导双折射的光存储应用
• 4.7 结论
• 参考文献
• 第五章 酞菁铅掺杂无机-有机杂化材料的飞秒激光诱导光Kerr效应
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 样品
• 5.2.2 飞秒激光诱导光Kerr效应实验装置
• 5.3 飞秒激光诱导光Kerr效应的特异性能
• 5.3.1 飞秒激光诱导光Kerr效应表征
• 5.3.2 飞秒激光实验参数对光Kerr效应的影响
• 5.4 特异光Kerr效应的形成机制
• 5.5 结论
• 参考文献
• 第六章 染料掺杂无机-有机杂化材料的飞秒激光诱导体微光栅
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 样品
• 6.2.2 飞秒激光诱导体微光栅实验装置
• 6.3 飞秒激光诱导一维体微光栅的研究
• 6.4 飞秒激光诱导二维体微光栅的研究
• 6.5 飞秒激光诱导体微光栅的形成机制
• 6.6 结论
• 参考文献
• 第七章 偶氮掺杂无机-有机杂化材料的非共振全光极化
• 7.1 引言
• 7.2 实验部分
• 7.2.1 样品
• 7.2.2 非共振全光极化实验装置
• 7.3 非共振全光极化的研究
• 7.3.1 非共振全光极化的写入和衰减过程
• 7.3.2 基频光功率对SHG信号强度的影响
• 7.4 非共振全光极化过程
• 7.5 结论
• 参考文献
• 第八章 结论
• 致谢
• 攻博期间发表的论文