靜電自組裝薄膜光學(xué)非線性測量的實(shí)驗(yàn)與理論研究.pdf

1、納米尺度的靜電自組裝多層超薄膜，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，往往表現(xiàn)出優(yōu)于體材料的非線性光學(xué)性質(zhì)。研究其非線性光學(xué)性質(zhì)，一方面可以加深人們對(duì)光與納米尺度材料相互作用規(guī)律的認(rèn)識(shí)，另一方面可以指導(dǎo)非線性光學(xué)材料的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、合成。本論文從實(shí)驗(yàn)和理論上系統(tǒng)地研究了三類靜電自組裝超薄膜的光學(xué)非線性，主要研究內(nèi)容如下：
　　在已有的Z-scan理論基礎(chǔ)之上，基于惠更斯-菲涅耳衍射積分原理推導(dǎo)出了適合于表征雙面非線性介質(zhì)光學(xué)非線性的雙面膜Z-sca

2、n理論。利用數(shù)值模擬將雙面膜Z-scan理論與單面膜等效Z-scan理論以及串級(jí)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了對(duì)比分析。
　　利用納秒和皮秒激光脈沖作為光源，采用Z-scan技術(shù)測量了以C60衍生物（單加成TMAF、三加成TTAF和六加成THAF）為正電荷電解質(zhì)，PSS為負(fù)電荷電解質(zhì)的靜電自組裝薄膜的光學(xué)非線性。將單面膜等效Z-scan理論、串級(jí)結(jié)構(gòu)模型以及雙面膜Z-scan理論用于分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明雙面膜Z-scan理論比單面膜等效Z-sc

3、an理論和串級(jí)結(jié)構(gòu)模型更適合于雙面自組裝薄膜非線性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的模擬分析。對(duì)TMAF/PSS、TTAF/PSS和THAF/PSS三種薄膜研究了薄膜雙層數(shù)、激光脈寬以及取代基個(gè)數(shù)對(duì)光學(xué)非線性的影響，實(shí)驗(yàn)證明PSS對(duì)非線性沒有貢獻(xiàn)，另外隨著薄膜雙層數(shù)的增加，TMAF/PSS自組裝薄膜的光學(xué)非線性增強(qiáng)。將TMAF/PSS、TTAF/PSS和THAF/PSS薄膜的納秒非線性結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)隨著C60中碳籠上取代基個(gè)數(shù)的增加，光學(xué)非線性減弱。這是由

4、于取代基個(gè)數(shù)增加后，自組裝薄膜中C60分子密度降低，從而使得光學(xué)非線性減弱。
　　對(duì)30-雙層TMAF/PSS自組裝薄膜研究了輸入能量以及激光脈寬對(duì)其光學(xué)非線性的影響，發(fā)現(xiàn)有效非線性吸收系數(shù)βeff隨著輸入能量的增加呈雙e指數(shù)衰減，原因在于輸入能量增加相應(yīng)地峰值光強(qiáng)增強(qiáng)，導(dǎo)致非線性飽和。在相同的輸入能量條件下，納秒時(shí)的βeff和非線性折射系數(shù)γ都比皮秒時(shí)高出約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。納秒實(shí)驗(yàn)條件下，30-雙層TMAF/PSS薄膜與TMAF去離

5、子水溶液的非線性吸收效應(yīng)相反，前者為飽和吸收，后者為反飽和吸收，且薄膜的有效非線性吸收系數(shù)比溶液高4個(gè)數(shù)量級(jí)，薄膜的強(qiáng)非共振飽和吸收可能與單分子結(jié)構(gòu)的表面態(tài)捕獲有關(guān)。
　　在光強(qiáng)較弱的情況下，研究表明五階非線性相對(duì)于三階非線性可以忽略不計(jì)，而當(dāng)光強(qiáng)較強(qiáng)時(shí)，五階非線性則不能忽略。在峰值光強(qiáng)I0=7.0GW/cm2的條件下，40-雙層TMAF/PSS單面膜與雙面膜都表現(xiàn)出三階和五階非線性，并且它們的飽和光強(qiáng)與閾值光強(qiáng)都相等。
　

6、　在納秒激光脈沖作用下，卟啉和C60衍生物給-受體交替型TMAF/DHP和TTAF/DHP靜電自組裝薄膜都表現(xiàn)為飽和吸收和自散焦特性。20-雙層TTAF/DHP薄膜的有效非線性吸收系數(shù)和非線性折射系數(shù)都大約是30-雙層TMAF/DHP薄膜的2倍，這可能是因?yàn)門TAF/DHP薄膜分子間的電荷轉(zhuǎn)移強(qiáng)于TMAF/DHP薄膜。將30-雙層TMAF/DHP與TMAF/PSS薄膜的非線性進(jìn)行對(duì)比，20-雙層TTAF/DHP與TTAF/PSS薄膜對(duì)比

7、，結(jié)果表明給體與受體之間的電荷轉(zhuǎn)移對(duì)非線性有增強(qiáng)作用。
　　在納秒激光脈沖作用下，以手性聚苯撐乙烯BHP-PPV和噻吩衍生物QTDA為材料的BHP-PPV/QTDA自組裝薄膜表現(xiàn)為反飽和吸收和自散焦特性。將30-雙層BHP-PPV/QTDA薄膜與30-雙層TMAF/PSS以及TMAF/DHP薄膜的非線性參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明材料的非線性隨其共軛性的增強(qiáng)而增強(qiáng)。對(duì)于靜電自組裝薄膜的自散焦特性，從熱效應(yīng)的角度解釋了其非線性機(jī)理。