非线性光学 纳米 文献.doc

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1、nonlinear optical nano 1 王睿 基于飞秒激光 Z scan 技术的纳米复合材料非线性光学特性研究 D 导师 孙洪波 吉林大学 2012 摘要 纳米复合材料是具有较大应用前景的非线性光学材料 其特有的尺寸 效应和可裁剪性一直以来得到广泛关注 但如何对纳米复合材料进行深入非线 性光学特性研究 仍然缺乏有力的工具 为了解决这个问题 本文针对 Z scan 测试技术 在光学信号的分析提取和高精度 高效率测试系统构建方面进行了 系统研究 并且利用改进的 Adomian 算子推导出饱和吸收的理论模型 归纳了 双光子吸收 三光子吸收 多光子吸收的理论模型 在此基础上采用 matlab

2、 语 言实现完整的 Z scan 测试数据分析软件 利用搭建的 Z scan 测试系统和数据 分析软件研究金属纳米粒子及复合纳米粒子的非线性光学特性 观察发现纳米 粒子的非线性光学特性受形态 尺寸 组分及表面修饰等因素的影响 通过对 测试结果定量分析总结调控纳米复合粒子非线性光学特性的设计规律 为纳米 复合成为新型的非线性光学功能材料奠定基础 具体工作分为以下几个部分 1 通过选择稳定的飞秒激光光源 高精度的大面积硅光电探测器 S1337 1010 BR 以及专业数字示波器的采集方案 建立飞秒 Z scan 测试系统 既提高了 Z scan 测试系统的测试精度 又保证了系统工作的稳定性 同时

3、在数字示波 器的操作系统上实现 Z scan 测试程序的方案 节省了 PC 机与测试仪器通信所 消耗的实验时间 利用标准非线性吸收样品和非线性折射样品对搭建的系统进 行评价 测试效率较采用 PC 机控制方案提高了 10 倍 归一化测试曲线精度达 到 0 01 2 目前 Z scan 研究样品多样 测试结果存在多种非线性吸收过程 而现有的理论分析方法较为单一 无法定量分析含有饱和吸收以及多非线性吸 收过程共存的样品 因此 本文从现有开孔 Z scan 测试理论模型出发 利用 A domian 改进算子详细推导了饱和吸收发生情况下的理论模型 并给出数值解 并归纳了双光子吸收 三光子吸收和多光子吸收

4、收情况下的理论分析模型 以 及同时存在两种不同非线性吸收过程的分析方法 采用 matlab 语言编写 Z sca n 数据分析程序 为定量分析非线性吸收样品提供了可行的解决方案 3 采用 上述工具研究有机小分子材料的非线性吸收特性 文中选择易于与金属纳米粒 子组装且非线性吸收截面较大的三种卟啉类衍生物 5 10 15 20 Tetraphenyl 21 H 23H porphine 5 10 15 20 Tetrakis 4 methoxyphenyl 21H 23H porphin e 和 Porphine 5 10 15 20 tetrakis 在相同的实验条件下测量他们的非线性吸 收系数

5、 发现 Porphine 5 10 15 20 tetrakis 的双光子吸收截面最大 希望采用 表面修饰的方法 利用 Porphine 5 10 15 20 tetrakis 包裹金属纳米粒子 进一 步增加纳米复合粒子材料的非线性吸收特性 4 利用 Z scan 测试方法研究不 同形态银纳米粒子和金棒的非线性光学特性 发现金属纳米粒子的非线性吸收 特性不仅和以往报道的尺寸效应有关 同时受到其形态的调控 研究发现 粒 径约为 75nm 的三角形银纳米粒子的 SPR 峰在 700nm 处 而粒径为 35nm 的 圆盘形纳米粒子的 SPR 峰在 495nm 处 三角形银纳米粒子的 SPR 峰更接近

6、 于飞秒 Z scan 探测光束波长 因此其非线性吸收随光强的增加表现为由饱和吸 收向多光子吸收过渡的过程 其原因为表面等离子漂泊和带间跃迁竞争的结果 而 SPR 峰在 495nm 处的圆盘形银纳米粒子 仅发生带间跃迁引起的多光子 吸收现象 随后又研究了粒径为 46nm SPR 峰在 710nm 处金棒的非线性吸 收特性 发现与三角形银纳米粒子情况相似 随探测光强增强由饱和吸收向三 光子吸收变化 5 利用分子工程的方法分别用 SiO2 和聚合物 PSS 包裹尺寸 相同的金棒 研究核壳结构对金属纳米粒子非线性吸收特性的影响 SiO2 壳层 引起 SPR 峰相对于金棒红移 PSS 壳层使复合金纳米

7、粒子的 SPR 峰蓝移更接 近飞秒 Z scan 的探测波长 800nm 根据前面对金属纳米粒子的研究可以推测 SiO2 结构的饱和吸收现象最强 实际测量结果表明 SiO2 核壳结构的饱和吸收 光强比包裹 PSS 的金棒提高了两个数量级 证实表面修饰方法能够灵敏调控纳 米复合材料的非线性吸收特性 2 刘振波 从分子到纳米体系的非线性光学性质的理论研究 D 导师 孙家钟 李 志儒 吉林大学 2012 摘要 当今是迅猛发展的信息时代 光子材料对光信息处理 光通讯 光计 算机等技术的发展 具有十分重要的战略意义 非线性光学 NLO 材料及 NLO 特性的研究是光通讯技术中的一个重要的研究领域 它也是

8、目前国际前沿课题 之一 开发和设计高性能的 NLO 材料是这一领域发展的重要基础 本文采用从 头算 abinitio 和密度泛函 DFT 等量子化学方法 对从小分子到纳米管的 一些体系的非线性光学性质进行了深入的理论研究 主要贡献如下 一 惰性 原子插入氟化氢体系 HRgF 在 QCISD T aug cc pVTZ 水平得到了具有全部 实频的稀有气体插入氟化氢结构 HRgF Rg He Ar Kr 在 QCISD aug cc pVQZ 水平上得到 它们的静态第一超极化率分别是 8a u HF 384a u HHeF 737a u HArF 以及 465a u HKrF 由于稀有气体原子 R

9、g 的插入 0 值从 8 a u HF 到 384 737a u HRgF 明显地增大了大约 50 90 倍 本工作第一次 发现了 HRgF Rg He Ar Kr 的 0 值的 Rg 原子序数依赖性 0 值的顺 序是非单调性的 HHeF HKrF 而不是 HHeF HArF HKrF 特别是 发现了 0 值的 Rg 原子序数依赖性包括两个不同的效应 即 Rg 扩张 H F 距 离的结构效应和 Rg 的电子效应 从 HHeF 到 HArF 以及从 HArF 到 HKrF 对 0 值影响占主导的效应是不同的 从 HHeF 到 HArF 结构效应是占主导的 0 值逐渐增大 而从 HArF 到 HK

10、rF Rg 的电子效应是占主导的 0 值逐 渐减小 这样造成 0 值的稀有气体原子序数依赖性是非单调的 对于 0 的 控制因素 由于 0 值的大小次序与激发态 基态偶极矩差 大小一致 因此 值是 0 值一个主要控制因素 对于 H Rg 键本质 由于短的 H He 键 只 有 0 811 的 WBI 为 0 51 揭示了 H He 键是个半键 而长的 H Ar 1 341 和 H Kr 键 1 479 由于 WBI 约为 0 8 H Ar 和 H Kr 键几乎都是单键 二 2 个 Li 原子掺杂带有一对二氟苯子环的体系中 由于这种新的配体具有新奇的推 拉 电子联合效应 导致第一超极化率的极大增加

11、 确立了一种增大第一超极化率 的新策略 在 MP2 6 311 G d p 水平上 0 值的顺序是 2 9 10 2 配体 UD 5 9 10 3 LL 1 9 10 4 H L 2 3 10 4 HF L 3 2 10 4 L L 7 8 10 5a u HF LF 结果表明带有配体的边式推 拉电子效应的 HF LF 有最大的 0 值 从结构 UD 到 HF LF 边式推 拉电子效应带来 0 值的 2700 倍增加 这显 示了推 拉电子的联合效应是高效的提高 0 值的新策略 在结构 HF LF 中 由 于长程电荷迁移跃迁 导致小的 E 值和非常大的 值 18 085a u 从而带 来了相当大

12、的 0 值 7 8 10 5a u 有趣的是 配体的一对子环可以显示不同 的电子效应 在结构 H L 和 HF LF 中 具有较长 Li 子环距离的左环显示了推 电子效应 而具有较短 Li 子环距离的右环显示了拉电子效应 三 实际的碳纳 米管 CNT 中 存在着各种类型的缺陷 这会影响碳纳米管的电学 热力学 机械特性 可是 缺陷是怎样影响非线性光学 NLO 特性未见报道 本文首次 发现拓扑缺陷 SW 单缺失缺陷 SV 双缺失缺陷 DV 对纳米管的静态第一超 极化率 0 的作用 对于八个缺欠碳纳米管和一个对应的完美纳米管 0 值的 顺序是 0 Perfect 5 0 10 2 DV585 z 5

13、 3 10 2 SW5577 z 4 6 10 3 DV5 85 xz 6 0 10 3 DV555777 7 3 10 3 SV xz 1 1 10 4 SV z 3 3 10 4 S W5577 xz 5 3 10 2a u 缺 陷沿着管轴 z 方向 3 有趣的是 不是缺失缺陷而是拓扑缺陷能带来最大的 0 值 结构 SW57 75 的 0 值是 2 2 10 5a u 4 对于拓扑 SW 缺陷 分离的 5 7 对缺陷 57 75 0 值为 2 2 10 5a u 比融合的缺陷 5577 3 3 10 4a u 有 更大的 0 值 本工作建议了一种引入合适的缺陷来提高 CNT 非线性光学响应

14、 的新策略 3 杨昕宇 向卫东 赵海军 张希艳 梁晓娟 刘海涛 Bi 2S 3 纳米晶掺杂钠硼硅玻 璃的三阶非线性光学性质 J 无机材料学报 2011 v 26 No 13603 290 294 摘要 利用溶胶 凝胶方法制备了 1 wt Bi2S3 纳米晶掺杂钠硼硅玻璃 利用 X 射线粉末衍射仪 XRD X 射线光电子能谱 XPS 透射电子显微镜 TEM X 射线 能量色散谱 EDX 扫描模式透射电子显微镜 STEM 以及高分辨透射电子显微镜 HRTEM 对 Bi2S3 纳米晶在钠硼硅玻璃中的形貌和微结构进行了表征 同时 利 用飞秒 Z 扫描技术在波长为 770 nm 对该玻璃的三阶非线性光学

15、性能进行了分 析测试 结果表明 尺寸为 10 30 nm 的 Bi2S3 正交晶系纳米晶在钠硼硅玻璃中 形成 该玻璃的三阶非线性光学折射率 三阶非线性吸收率 和三阶非线性极 化率 3 分别为 5 90 10 16 m2 W 7 35 4 杨帆 向卫东 张希艳 杨昕宇 冯丽 王芸 梁晓娟 金怀东 CuInS 2 纳米晶的制备 及三阶非线性光学性质的研究 J 长春理工大学学报 自然科学版 2011 v 3403 96 100 摘要 以无水醋酸铜 Cu AC 2 为铜源 氯化铟 InCl3 为铟源 正十二硫醇 DDT 为硫源 1 十八稀 ODE 为溶剂在 240 条件下反应 3h 合成了金字塔形的

16、CuInS 2 纳米晶 用 X 射线粉末衍射 XRD X 射线光电子能谱 XPS 透射电子显微镜 TEM 能量分散光谱 EDS Z Scan 技术对粉体的结构 形貌 相组成 三阶非 线性光学特性进行表征 结果表明 通过一锅法可以合成单分散颗粒尺寸为 5 7n m 的金字塔形 CuInS2 纳米晶 分散在正己烷中的 CuInS2 纳米晶的三阶光学非 线性折射率 三阶光学非线性吸收系数 以及三阶光学非线性极化率 3 分别 为 3 444 10 17m2 W 4 5 Majles Ara M H Afsary M Hatami M Malekfar R Boroojerdian P 硫化铅纳 米粒子的三阶非线性光学特性研究 英文 J 光学精密工程 2011 v 1909 2242 2 246 摘要 针对硫化铅 PbS 特殊的三阶非线性光学特性 本文在水溶液里合成了 Pb S 纳米粒子 紫外 可见光谱显示 由于使用了封端剂 合成的样品更加稳定 用 紫外 可见吸收光谱和 X 射线衍射斑研究了 PbS 纳米粒子的特性 结果表明 由于 纳米粒子尺寸减小 其吸收光谱显示极大的蓝移 利用 Scherre