光学工程专业优秀论文光学工程专业优秀论文 有机环形共轭链分子三阶光学非线性的有机环形共轭链分子三阶光学非线性的 Z-Z-扫描研究扫描研究关键词：双光子吸收关键词：双光子吸收 有机环形共轭链有机环形共轭链 三阶非线性光学三阶非线性光学 荧光成像荧光成像 卟啉卟啉 Z-Z-扫描扫描摘要：双光子吸收是处于基态的介质分子或原子在强光作用下，同时吸收两个 光子直接跃迁到激发态的三阶非线性光学过程。具有双光子吸收特性的有机材 料在光限幅、三维光信息存储、荧光成像和显微技术、光动力学治疗等领域展 现出广阔的应用前景。通常情况下这些应用都要求材料分子具有较大的双光子 吸收截面。因此，研究材料结构及其光学非线性特性之间的关系、提高材料的 双光子吸收截面具有重要的理论意义和应用价值。目前所报道的双光子吸收分 子一般具有线形结构，如 D-A、D-D、A-A、D-A-D、A-D- -A 等，或者多维电荷转移的多支型结构，或者复杂的树形结构。而本论文所 研究的卟啉分子是一类具有独特环形共轭链结构的分子。它的分子内电荷转移 过程非常容易发生，具有显著的非线性吸收特性。由于其具有低的限幅阈值、 大的动态范围、快的响应时间、宽的响应带宽、对弱辐射有高的线性透射率、 对强激光有高的衰减能力，因此是一种很有应用前景的光限幅材料。卟啉非线 性光学性质成为近年来科研工作者的一个研究热点。 科学工作者对卟啉分子 光限幅的物理机制做出多种分析。然而大量的研究都是基于短波长处的反饱和 吸收，而对于长波长处的非线性吸收行为，却未见专门报道。本文运用 z-扫描 方法从理论和实验两方面对新型卟啉化合物 5，10，15,20-四(对十六烷氧基苯 基)卟啉的非线性吸收及光限幅特性进行了研究。选用由 Nd：YAG 纳秒脉冲激光 器泵浦的可调谐光参量振荡器(OPO)作为光源，我们得到了 710820nm 波长范 围内的 Z-扫描曲线，并采用双光子吸收理论对实验结果进行了分析，获得的双 光子吸收光谱显示该分子在 750nm 附近展现了非常好的双光子吸收特性，750nm 处的有效双光子吸收截面达到 1.3210lt;#39;-46gt; cmsphotonlt;#39;-1gt;。样品的输入输出特性研究表明 在较大能量的纳秒脉冲泵浦下，存在明显的激发态再吸收。我们采用双光子吸 收诱导的激发态吸收模型对实验结果进行了合理解释。 为了提高实验系统的 稳定性和精确性，我们对光阑孔径 S、透镜焦足 f 及透镜焦点到光阑之间的距 离 d 等实验系统参数对 Z-扫描特征曲线的影响进行了数值模拟研究，结果发现 对于非线性折射效应和非线性吸收效应相当的材料，存在一个最佳的 f/d 值可 以使得在闭孔 Z-扫描曲线中同时观察到明显的非线性折射现象和非线性吸收现 象。同时我们还研究了非线性折射系数和非线性吸收系数的相对大小对非线性 透过率曲线的影响，理论分析表明闭孔 Z-扫描实验曲线峰谷结构存在与否取 决于材料的三阶非线性折射系数和三阶非线性吸收系数的比值 R，即如果在标 准的高斯光束闭孔 Z扫描实验中得到的归一化透过率曲线有一个明显的峰和 谷，这一材料的相对三阶非线性折射系数|R|平方根 3，否则该材料的峰或谷 可能消失。这些数值模拟研究，为建立 Z-扫描系统提供了相应的理论依据。正文内容正文内容双光子吸收是处于基态的介质分子或原子在强光作用下，同时吸收两个光 子直接跃迁到激发态的三阶非线性光学过程。具有双光子吸收特性的有机材料 在光限幅、三维光信息存储、荧光成像和显微技术、光动力学治疗等领域展现 出广阔的应用前景。通常情况下这些应用都要求材料分子具有较大的双光子吸 收截面。因此，研究材料结构及其光学非线性特性之间的关系、提高材料的双 光子吸收截面具有重要的理论意义和应用价值。目前所报道的双光子吸收分子 一般具有线形结构，如 D-A、D-D、A-A、D-A-D、A-D-A 等，或者多维电荷转移的多支型结构，或者复杂的树形结构。而本论文所研究 的卟啉分子是一类具有独特环形共轭链结构的分子。它的分子内电荷转移过程 非常容易发生，具有显著的非线性吸收特性。由于其具有低的限幅阈值、大的 动态范围、快的响应时间、宽的响应带宽、对弱辐射有高的线性透射率、对强 激光有高的衰减能力，因此是一种很有应用前景的光限幅材料。卟啉非线性光 学性质成为近年来科研工作者的一个研究热点。 科学工作者对卟啉分子光限 幅的物理机制做出多种分析。然而大量的研究都是基于短波长处的反饱和吸收， 而对于长波长处的非线性吸收行为，却未见专门报道。本文运用 z-扫描方法从 理论和实验两方面对新型卟啉化合物 5，10，15,20-四(对十六烷氧基苯基)卟 啉的非线性吸收及光限幅特性进行了研究。选用由 Nd：YAG 纳秒脉冲激光器泵 浦的可调谐光参量振荡器(OPO)作为光源，我们得到了 710820nm 波长范围内 的 Z-扫描曲线，并采用双光子吸收理论对实验结果进行了分析，获得的双光子 吸收光谱显示该分子在 750nm 附近展现了非常好的双光子吸收特性，750nm 处 的有效双光子吸收截面达到 1.3210lt;#39;-46gt; cmsphotonlt;#39;-1gt;。样品的输入输出特性研究表明 在较大能量的纳秒脉冲泵浦下，存在明显的激发态再吸收。我们采用双光子吸 收诱导的激发态吸收模型对实验结果进行了合理解释。 为了提高实验系统的 稳定性和精确性，我们对光阑孔径 S、透镜焦足 f 及透镜焦点到光阑之间的距 离 d 等实验系统参数对 Z-扫描特征曲线的影响进行了数值模拟研究，结果发现 对于非线性折射效应和非线性吸收效应相当的材料，存在一个最佳的 f/d 值可 以使得在闭孔 Z-扫描曲线中同时观察到明显的非线性折射现象和非线性吸收现 象。同时我们还研究了非线性折射系数和非线性吸收系数的相对大小对非线性 透过率曲线的影响，理论分析表明闭孔 Z-扫描实验曲线峰谷结构存在与否取 决于材料的三阶非线性折射系数和三阶非线性吸收系数的比值 R，即如果在标 准的高斯光束闭孔 Z扫描实验中得到的归一化透过率曲线有一个明显的峰和 谷，这一材料的相对三阶非线性折射系数|R|平方根 3，否则该材料的峰或谷 可能消失。这些数值模拟研究，为建立 Z-扫描系统提供了相应的理论依据。 双光子吸收是处于基态的介质分子或原子在强光作用下，同时吸收两个光子直 接跃迁到激发态的三阶非线性光学过程。具有双光子吸收特性的有机材料在光 限幅、三维光信息存储、荧光成像和显微技术、光动力学治疗等领域展现出广 阔的应用前景。通常情况下这些应用都要求材料分子具有较大的双光子吸收截 面。因此，研究材料结构及其光学非线性特性之间的关系、提高材料的双光子 吸收截面具有重要的理论意义和应用价值。目前所报道的双光子吸收分子一般 具有线形结构，如 D-A、D-D、A-A、D-A-D、A-D-A 等， 或者多维电荷转移的多支型结构，或者复杂的树形结构。而本论文所研究的卟啉分子是一类具有独特环形共轭链结构的分子。它的分子内电荷转移过程非常 容易发生，具有显著的非线性吸收特性。由于其具有低的限幅阈值、大的动态 范围、快的响应时间、宽的响应带宽、对弱辐射有高的线性透射率、对强激光 有高的衰减能力，因此是一种很有应用前景的光限幅材料。卟啉非线性光学性 质成为近年来科研工作者的一个研究热点。 科学工作者对卟啉分子光限幅的 物理机制做出多种分析。然而大量的研究都是基于短波长处的反饱和吸收，而 对于长波长处的非线性吸收行为，却未见专门报道。本文运用 z-扫描方法从理 论和实验两方面对新型卟啉化合物 5，10，15,20-四(对十六烷氧基苯基)卟啉 的非线性吸收及光限幅特性进行了研究。选用由 Nd：YAG 纳秒脉冲激光器泵浦 的可调谐光参量振荡器(OPO)作为光源，我们得到了 710820nm 波长范围内的 Z-扫描曲线，并采用双光子吸收理论对实验结果进行了分析，获得的双光子吸 收光谱显示该分子在 750nm 附近展现了非常好的双光子吸收特性，750nm 处的 有效双光子吸收截面达到 1.3210lt;#39;-46gt; cmsphotonlt;#39;-1gt;。样品的输入输出特性研究表明 在较大能量的纳秒脉冲泵浦下，存在明显的激发态再吸收。我们采用双光子吸 收诱导的激发态吸收模型对实验结果进行了合理解释。 为了提高实验系统的 稳定性和精确性，我们对光阑孔径 S、透镜焦足 f 及透镜焦点到光阑之间的距 离 d 等实验系统参数对 Z-扫描特征曲线的影响进行了数值模拟研究，结果发现 对于非线性折射效应和非线性吸收效应相当的材料，存在一个最佳的 f/d 值可 以使得在闭孔 Z-扫描曲线中同时观察到明显的非线性折射现象和非线性吸收现 象。同时我们还研究了非线性折射系数和非线性吸收系数的相对大小对非线性 透过率曲线的影响，理论分析表明闭孔 Z-扫描实验曲线峰谷结构存在与否取 决于材料的三阶非线性折射系数和三阶非线性吸收系数的比值 R，即如果在标 准的高斯光束闭孔 Z扫描实验中得到的归一化透过率曲线有一个明显的峰和 谷，这一材料的相对三阶非线性折射系数|R|平方根 3，否则该材料的峰或谷 可能消失。这些数值模拟研究，为建立 Z-扫描系统提供了相应的理论依据。 双光子吸收是处于基态的介质分子或原子在强光作用下，同时吸收两个光子直 接跃迁到激发态的三阶非线性光学过程。具有双光子吸收特性的有机材料在光 限幅、三维光信息存储、荧光成像和显微技术、光动力学治疗等领域展现出广 阔的应用前景。通常情况下这些应用都要求材料分子具有较大的双光子吸收截 面。因此，研究材料结构及其光学非线性特性之间的关系、提高材料的双光子 吸收截面具有重要的理论意义和应用价值。目前所报道的双光子吸收分子一般 具有线形结构，如 D-A、D-D、A-A、D-A-D、A-D-A 等， 或者多维电荷转移的多支型结构，或者复杂的树形结构。而本论文所研究的卟 啉分子是一类具有独特环形共轭链结构的分子。它的分子内电荷转移过程非常 容易发生，具有显著的非线性吸收特性。由于其具有低的限幅阈值、大的动态 范围、快的响应时间、宽的响应带宽、对弱辐射有高的线性透射率、对强激光 有高的衰减能力，因此是一种很有应用前景的光限幅材料。卟啉非线性光学性 质成为近年来科研工作者的一个研究热点。 科学工作者对卟啉分子光限幅的 物理机制做出多种分析。然而大量的研究都是基于短波长处的反饱和吸收，而 对于长波长处的非线性吸收行为，却未见专门报道。本文运用 z-扫描方法从理 论和实验两方面对新型卟啉化合物 5，10，15,20-四(对十六烷氧基苯基)卟啉 的非线性吸收及光限幅特性进行了研究。选用由 Nd：YAG 纳秒脉冲激光器泵浦 的可调谐光参量振荡器(OPO)作为光源，我们得到了 710820nm 波长范围内的Z-扫描曲线，并采用双光子吸收理论对实验结果进行了分析，获得的双光子吸 收光谱显示该分子在 750nm 附近展现了非常好的双光子吸收特性，750nm 处的 有效双光子吸收截面达到 1.3210lt;#39;-46gt; cmsphotonlt;#39;-1gt;。样品的输入输出特性研究表明 在较大能量的纳秒脉冲泵浦下，存在明显的激发态再吸收。我们采用双光子吸 收诱导的激发态吸收模型对实验结果进行了合理解释。 为了提高实验系统的 稳定性和精确性，我们对光阑孔径 S、透镜焦足 f 及透镜焦点到光阑之间的距 离 d 等实验系统参数对 Z-扫描特征曲线的影响进行了数值模拟研究，结果发现 对于非线性折射效应和非线性吸收效应相当的材料，存在一个最佳的 f/d 值可 以使得在闭孔 Z-扫描曲线中同时观察到明显的非线性折射现象和非线性吸收现 象。同时我们还研究了非线性折射系数和非线性吸收系数的相