有機(jī)聚合物薄膜非線性光學(xué)特性研究.pdf

1、本文對(duì)聚合物薄膜非線性光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)上的研究，主要針對(duì)二階和三階非線性光學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。提出了一些新的器件模型，并在實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。 1.本文描述了有機(jī)聚合物薄膜二階非線性效應(yīng)的機(jī)理，介紹了有機(jī)聚合物薄膜極化的物理機(jī)制以及各種電場(chǎng)極化技術(shù)。以被廣泛采用的聚甲基丙烯酸甲酯摻雜分散紅1(DR1/PMMA)主客摻雜型為對(duì)象做了大量實(shí)驗(yàn)。研究表明如果聚合物薄膜預(yù)烘時(shí)間不足，則極化時(shí)二次諧波強(qiáng)度很弱，同時(shí)極化條件不同對(duì)二次

2、諧波強(qiáng)度的也有很大影響。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上討論了其成因以及理論解釋結(jié)果，大致給出了最優(yōu)化極化條件。同時(shí)，提出了一種判定溶劑是否揮發(fā)完全的方法，就是觀察樣品的極化溫度是否達(dá)到最佳值。如果小于最佳值，則表明溶劑還未揮發(fā)完全，得到的非線性系數(shù)也不是最大的。反之，就可以認(rèn)為達(dá)到了最佳極化條件。同時(shí)，利用馬克條紋法首次模擬了聚合物薄膜厚度和入射角度對(duì)二次諧波強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)上觀察到二次諧波信號(hào)隨著聚合物薄膜厚度和入射角度變化同理論相符合。

3、 2.在本文中，我們較詳細(xì)地研究了產(chǎn)生切倫科夫(Cerenkov)輻射的各種情況，包括波導(dǎo)層是非線性介質(zhì)和襯底(或覆蓋層)是非線性介質(zhì)兩種大的分類，并給出了最終的Cerenkov轉(zhuǎn)化效率計(jì)算公式。另外，我們對(duì)產(chǎn)生Cerenkov輻射的最佳條件也進(jìn)行了研究，得到了定量的結(jié)果，為這種器件的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。導(dǎo)模的有效折射率理論計(jì)算表明，由于導(dǎo)模模式寬度的存在，聚合物波導(dǎo)中的基頻光低階導(dǎo)模的有效折射率有可能與諧波光高階模的有效折射率相匹配，

4、這時(shí)導(dǎo)模能量將轉(zhuǎn)化到輻射模中，可以達(dá)到很大的轉(zhuǎn)換效率。對(duì)聚合物而言，由于固有的傳輸損耗大的缺點(diǎn)，導(dǎo)致了聚合物在實(shí)驗(yàn)中無法在傳輸型器件結(jié)構(gòu)中獲得很高的轉(zhuǎn)化效率。同時(shí)，傳統(tǒng)的端面耦合、光柵耦合和棱鏡耦合技術(shù)也對(duì)實(shí)際中改善轉(zhuǎn)化效率沒有很大的提高。 3.在本文中，我們通過調(diào)節(jié)導(dǎo)波層的厚度和折射率，對(duì)產(chǎn)生Cerenkov輻射的條件進(jìn)行了優(yōu)化，達(dá)到了實(shí)現(xiàn)基頻低階導(dǎo)模和諧波高階導(dǎo)模相匹配的條件。同時(shí)從實(shí)驗(yàn)上，給出了一種新型的產(chǎn)生Cerenko

5、v輻射的結(jié)構(gòu)。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)上得到了很大的轉(zhuǎn)換效率1.6﹪W-1cm-1，這是迄今為止用聚合物作為介質(zhì)得到的最大的轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，我們利用色散曲線對(duì)產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)化效率的條件進(jìn)行了理論解釋。本文中提出的結(jié)構(gòu)將耦合層、波導(dǎo)層都集成化在一個(gè)器件(棱鏡)上，去掉了傳統(tǒng)棱鏡耦合方式需要機(jī)械裝置輔助的缺點(diǎn)。同時(shí)，這種器件利用反射型原理使產(chǎn)生的Cerenkov輻射從棱鏡的端面直接輻射出去，減少了Cerenkov輻射在襯底和波導(dǎo)層中多次反射產(chǎn)生損耗的影響，

6、將聚合物傳輸損耗的影響降到了最小，從而大大提高了這種器件的實(shí)際應(yīng)用能力。這種器件具有的這些特點(diǎn)，對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展具有一定的參考意義。 4.本文提出了一種新的計(jì)算極化聚合物薄膜非線性系數(shù)的方法。已有的理論已經(jīng)證明，由表面等離子體波激發(fā)的二次諧波強(qiáng)度會(huì)比背景二次諧波光強(qiáng)度高四個(gè)數(shù)量級(jí)，這為我們進(jìn)行二次諧波光強(qiáng)探測(cè)提供了方便。利用已有的電子氣模型理論，我們推導(dǎo)得到了相應(yīng)的計(jì)算公式，并且計(jì)算了不同種類聚合物對(duì)應(yīng)的非線性系數(shù)。通過探測(cè)由表面

7、等離子體波激發(fā)的二次諧波的光強(qiáng)，同時(shí)探測(cè)由石英樣品在相同的實(shí)驗(yàn)條件下產(chǎn)生的二次諧波的強(qiáng)度，利用我們推導(dǎo)得到的公式，就可以完成對(duì)極化聚合物非線性系數(shù)的計(jì)算。這種計(jì)算方法有實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，能夠得到定量的非線性系數(shù)值的優(yōu)點(diǎn)。 5.本文提出了一種能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)光漂白過程中非線性系數(shù)變化的方法。雖然在光漂白過程中聚合物的厚度、折射率和非線性系數(shù)都會(huì)發(fā)生變化，但是表面等離子體波的耦合效率與聚合物的厚度變化沒有關(guān)系，而且在聚合物的折射率

8、變化不大的范圍內(nèi)(小于0.23)，產(chǎn)生表面等離子體波的耦合效率也基本不變化，從而為我們利用探測(cè)表面等離子體波激發(fā)的二次諧波強(qiáng)度的方法來檢測(cè)光漂白過程提供了一個(gè)方法。我們利用探測(cè)表面等離子體波激發(fā)的二次諧波強(qiáng)度的方法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了側(cè)鏈型和交聯(lián)型兩種聚合物的實(shí)時(shí)漂白過程，同時(shí)利用我們提出的方法計(jì)算了漂白前后不同種類的聚合物非線性系數(shù)的變化。 6.本文利用已有的理論知識(shí)，對(duì)表面等離子體波激發(fā)的二次諧波的優(yōu)化條件進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，最大的

9、二次諧波強(qiáng)度與聚合物的非線性系數(shù)、耦合層金屬膜的厚度和棱鏡的折射率都有關(guān)系。并且，影響最大且最容易控制的是前兩項(xiàng)因素。 7.本文還對(duì)聚合物的三階非線性效應(yīng)進(jìn)行了比較全面的論述，利用聚合物的三階非線性效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)研究了一種新型的集成化的多路皮秒全光開關(guān)器件。這種裝置將耦合層和波導(dǎo)層集成在棱鏡的底面上，將強(qiáng)激光耦合進(jìn)波導(dǎo)層，利用波導(dǎo)的能量積聚效應(yīng)，產(chǎn)生光學(xué)克爾效應(yīng)，引起波導(dǎo)層小范圍內(nèi)的折射率的變化。同時(shí)，用另外一束連續(xù)激光耦合進(jìn)波導(dǎo)層