激发态分子内质子转移有机分子HBT的三阶非线性光学特性

以532nm皮秒脉冲作抽运光,采用单光束Z-扫描技术对具有激发态分子内质子转移效应的有机分子2-(2′-羟基苯基)苯并噻唑(HBT)在其双光子吸收区的非线性光学特性进行了研究.实验结果表明,对532nm波长的光,HBT分子存在明显的双光子吸收.通过拟合开孔Z-扫描实验数据,求解了HBT分子在其双光子吸收区的非线性吸收系数,并探讨了抽运光强度对介质双光子吸收效应的影响.采用高斯分解法,通过拟合闭孔Z-扫描除以开孔Z-扫描数据,理论推导并计算了在介质对抽运光存在非线性吸收的情况下HBT分子的非线性折射率,以及不同入射光强度时HBT分子的三阶非线性极化率实部和虚部的值.计算结果表明,理论分析与实验结果较好地符合,这些结果为进一步研究和开发此类材料的应用提供了理论与实验依据.     

激发态质子转移分子2-(2''-羟基苯基)苯并噻唑在不同溶剂中的光谱特性

观测了2-(2’-羟基苯基)苯并噻唑(HBT)在不同极性溶剂中的吸收光谱和荧光光谱,详细研究了溶剂极性对HBT发生激发态分子内质子转移(ESIPT)影响的机制。吸收光谱表明在常态条件下,HBT在各种溶剂中都以烯醇式构型和酮式构型共同存在,但以烯醇式构型占绝大多数。荧光光谱表明在纯环己烷溶剂中,HBT被紫外光激发时,绝大多数烯醇式构型发生ESIPT转变为酮式构型,分子的ESIPT效率最大。在含有乙醇的极性溶剂中,HBT烯醇式会形成溶剂化的烯醇式构型,阻碍分子发生ESIPT反应。溶剂中乙醇含量愈多极性愈强,溶剂化烯醇式的成份就愈多,HBT的ESIPT效率就愈低。以400 nm光激发HBT溶液时,在510 nm处发现酮式构型荧光,从而确认了400 nm处的弱吸收是酮式构型的吸收;且在436和456nm处还有新的荧光峰,分析其可能来源于酮式构型去质子化阴离子的发射。     

取代基对2-(2-羟基苯基)苯并噻唑分子内氢键及质子转移的影响:密度泛函理论研究

运用密度泛函(DFT)和含时密度泛函(TD DFT)理论方法研究了在2-(2-羟基苯基)苯并噻唑(HBT)苯环羟基的邻位或对位分别引入羟基和醛基后的衍生物分子内质子转移过程,考察了取代基的电子效应及取代位置对分子内氢键和质子转移反应的影响,模拟计算了各分子的IR振动光谱和电子光谱.研究发现,HBT及其衍生物分子可以形成分子内氢键,且激发态时氢键增强.基态时以醇式构型稳定存在,激发态时酮式结构为优势构象.分子的最大吸收峰和发射峰主要源于电子从前线分子轨道HOMO到LUMO之间的跃迁.基态分子内质子转移需要越过较高的能垒因而难以发生,而激发态时只需越过较低能垒就很容易发生激发态分子内质子转移.取代基的电子效应和取代位置对HBT分子氢键强度、互变异构体的相对稳定性、电子光谱及质子转移反应的能垒均有一定影响.     

激发态质子转移分子2-（2′-羟基苯基）苯并噻唑在不同溶剂中的光谱特性

观测了2-（2′-羟基苯基）苯并噻唑（HBT）在不同极性溶剂中的吸收光谱和荧光光谱,详细研究了溶剂极性对HBT发生激发态分子内质子转移（ESWT）影响的机制。吸收光谱表明在常态条件下,HBT在各种溶剂中都以烯醇式构型和酮式构型共同存在,但以烯醇式构型占绝大多数。荧光光谱表明在纯环己烷溶剂中,HBT被紫外光激发时,绝大多数烯醇式构型发生ESIPPT转变为酮式构型,分子的ESIPT效率最大。在含有乙醇的极性溶剂中,HBT烯醇式会形成溶剂化的烯醇式构型,阻碍分子发生ESIPT反应。溶剂中乙醇含量愈多极性愈强,溶剂化烯醇式的成份就愈多,HBT的ESIPT效率就愈低。以400nm光激发HBT溶液时,在510nm处发现酮式构型荧光,从而确认了400nm处的弱吸收是酮式构型的吸收;且在436和456nm处还有新的荧光峰,分析其可能来源于酮式构型去质子化阴离子的发射。     

2-(2’-羟基苯基)苯并咪唑的光谱特性

2-(2’-羟基苯基)苯并咪唑(简称HBI)是一类具有激发态质子转移效应的有机分子。观测了HBI分子在甲苯、甲苯与乙醇混合及乙醇三种溶液的吸收光谱,发现其吸收光谱相类似。用317 nm光激发,观测其荧光光谱,在甲苯溶液中只观测到一个荧光带,其峰值位于470 nm;在甲苯与乙醇的混合溶液及乙醇溶液的荧光光谱中,都观测到两个荧光带,其峰值分别位于370和450 nm。根据激发态质子转移理论可知,470 nm的荧光带是由激发态质子转移生成的互变异构体,即HBI酮式构型分子的发射,峰值位于370 nm的荧光带是HBI稀醇式构型分子的发射。由于乙醇具有较大的极性,可与HBI分子相互作用形成分子间氢键,即生成溶剂化物。当溶剂化物被激发,在激发态发生激发态质子转移生成两性离子,两性离子发射荧光回到基态。因此,在极性溶剂中HBI发射峰值位于450 nm的荧光带应归于两性离子的发射。当用532 nm强光激发HBI溶液时,发现HBI分子在非极性溶剂中无双光子效应,而在极性溶剂中却存在双光子效应,表明HBI的溶剂化物具有双光子效应。     

取代基对2-(2-羟基苯基)苯并噻唑分子内氢键及质子转移的影响:密度泛函理论研究

运用密度泛函(DFT)和含时密度泛函(TD DFT)理论方法研究了在2-(2-羟基苯基)苯并噻唑(HBT)苯环羟基的邻位或对位分别引入羟基和醛基后的衍生物分子内质子转移过程，考察了取代基的电子效应及取代位置对分子内氢键和质子转移反应的影响，模拟计算了各分子的IR振动光谱和电子光谱.研究发现，HBT及其衍生物分子可以形成分子内氢键，且激发态时氢键增强.基态时以醇式构型稳定存在，激发态时酮式结构为优势构象.分子的最大吸收峰和发射峰主要源于电子从前线分子轨道HOMO到LUMO之间的跃迁.基态分子内质子转移需要越过较高的能垒因而难以发生，而激发态时只需越过较低能垒就很容易发生激发态分子内质子转移.取代基的电子效应和取代位置对HBT分子氢键强度、互变异构体的相对稳定性、电子光谱及质子转移反应的能垒均有一定影响.     

溶剂极性对1，5-二羟基蒽醌分子双质子转移过程的影响

具有激发态分子内双质子转移特性的分子在荧光传感器、激光材料、生物分子探针等领域具有广泛的应用. 羟基蒽醌作为蒽醌类化合物是自然界中广泛存在且具有质子转移特性的次级代谢物,其衍生物已被广泛研究并成功应用于染料、免疫增强和抗癌药物. 近年来,1,5-二羟基蒽醌(1,5-DHAQ)作为一种具有两个分子内氢键的羟基蒽醌衍生物受到了广泛的关注. 本文采用飞秒瞬态吸收光谱结合含时密度泛函理论方法研究了溶剂极性对1,5-DHAQ分子激发态分子内双质子转移过程的影响. 1,5-DHAQ分子在甲苯、四氢呋喃和乙腈溶剂中的稳态荧光光谱表明,溶剂极性的改变对1,5-DHAQ的荧光峰位置产生了影响. 瞬态吸收光谱表明,溶剂极性的增大加快了质子转移的速率. 超快动力学拟合结果表明,溶剂极性的增大有助于加快1,5-DHAQ分子中的激发态分子内双质子转移过程. 此外,通过理论计算得到的势能曲线分析表明质子转移的能垒随着溶剂极性的增加而逐渐减小,从而促进1,5-DHAQ分子激发态分子内双质子转移过程的发生,这进一步验证和解释了实验结果. 本工作有助于开发和合成更稳定、高效的羟基蒽醌衍生物.     

1-羟基蒽醌的分子内质子转移动力学

利用飞秒瞬态吸收光谱结合量化计算研究了1-羟基蒽醌在溶剂中的激发态分子内质子转移动力学. 分子受到400 nm光激发后的瞬态吸收谱呈现出激发态吸收和受激辐射两个光谱带. 受激辐射信号较激发态吸收信号滞后出现,由此确定质子转移时间是32 fs. 量化计算表明分子在沿质子转移路径衰变时,分子轨道和能级次序发生了反转,形成锥形交叉. 在质子转移之后,经锥形交叉布居的电子态发生内转换和分子间能量弛豫,时间分别是200 fs和16 ps. 基态回复时间是300 ps. 通过实验和理论研究,证实存在两个质子转移路径,其中主要的衰变路径保持了原来轨道的性质.     

芳香性取代基对2-(2-羟基苯基)苯并咪唑激发态质子转移和光谱性质影响的理论研究

运用密度泛函(DFT)和含时密度泛函(TD DFT)理论方法研究了在2-(2-羟基苯基)苯并咪唑(HBI)苯环羟基的对位分别被呋喃基、吡咯基等五种芳香性取代基后的衍生物(HBI-R)分子内质子转移过程,考察了取代基的电子离域效应对分子结构、分子内氢键和质子转移的影响,模拟计算了各分子的IR振动光谱和电子光谱。研究发现,基态的HBI与HBI-R分子内氢键O—H…N比O…H—N强度大,因氢键中的O—H增长和H—N的缩短,激发态氢键O—H…N弱于O…H—N强度,基态和激发态的稳定构型分别为醇式和酮式结构,取代基总体上使酮式构型相对稳定性有所增加,但呋喃基、吡咯基和噻吩基却略降低了激发态酮式构型相对稳定性。取代基降低了HBI基态和激发态分子内质子转移反应的能垒,但影响不大。电子吸收光谱的最大吸收峰和荧光光谱的最大发射峰主要源于前线分子轨道HOMO与LUMO之间的电子跃迁,芳环取代基增强了电子离域效应,使光谱的吸收峰和发射峰波长均有较大的红移。     

分子内质子转移分子2-(2′-羟基苯基)间氮杂氧茚的光学非线性的研究

报道了在调Ｑ的Ｎｄ∶ＹＡＧ激光器泵浦下用Ｚ扫描技术对具有分子内质子转移（ＥＳＩＰＴ）特性的分子２（２′羟基苯基）间氮杂氧茚（ＨＢＯ）的光学非线性的研究。结果表明：对１．０６μｍ的光，ＨＢＯ无非线性吸收，其三阶非线性极化率不随入射光强而变；而在０．５３μｍ的激光作用下，ＨＢＯ表现出显著的双光子吸收，其双光子吸收系数随泵浦光强增强而减小，而其三阶非线性极化率实部则随泵浦光强的增强而增大。在建立双光子泵浦产生激发态分子内质子转移动态模型的基础上，通过理论计算很好地解释了实验现象     

All-optical switching and nonlinear optical properties of HBT in ethanol solution

This paper demonstrates an all-optical switching model system comprising a single pulsed pump beam at 355 nm and a CW He--Ne signal beam at 632.8 nm with 2-(2^\prime -hydroxyphenyl)benzothiazole (HBT) in ethanol solution. The origins of the optical switching effect were discussed. By the study of nonlinear optical properties for HBT in ethanol solvent, this paper verified that the excited-state intramolecular proton transfer (ESIPT) effect of HBT and the thermal effect of solvent worked on quite different time scales and together induced the change of the refractive index of HBT solution, leading to the signal beam deflection. The results indicated that the HBT molecule could be an excellent candidate for high-speed and high-sensitive optical switching devices.     

掺杂浓度与溶剂对偶氮聚合物薄膜全光开关

用重复旋转涂膜法制备了乙基红(ER)偶氮染料与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)掺杂聚合物薄膜和乙基橙(EO)与聚乙烯醇(PVA)掺杂聚合物薄膜.测量了两种聚合物薄膜样品全光开关特性,比较分析了薄膜样品的掺杂浓度和溶剂对全光开关效应的影响,实验结果表明:增加掺杂浓度和溶剂,极性薄膜样品的全光开关效应增强且开关的本底信号增大,但对开关的响应速度影响很小;选择合适的掺杂浓度和强极性溶剂,在室温和几个mW的弱功率控制光条件下聚合物薄膜具有毫秒级开关响应时间和40%以上的开关调制深度,最大的调制深度达72%以上.     

光致异构聚合物中光学空间孤子的垂直全光调控

用数值方法研究了在具有光致异构非线性的聚合物中光学空间孤子的垂直全光调控.结果表明，对于调控光和信号光是相干的情况，被调控的信号光会产生散射甚至坍塌、微偏转等现象，其作用强弱依赖于两束光的初始相位之差、调控光光强、调控光入射位置等.这种垂直全光调控效应有望应用于全光开光、光集成等方面. 关键词： 光折变空间孤子 孤子相互作用 垂直调控 光致异构     

光梯度力驱动的纳米硅基光开关

通过一道光改变另一道光的传输路线是光子集成网络中重要而长远的目标, 然而, 由于硅材料的光学非线性较弱, 在硅材料上实现开关的全光控制难以实现. 因此本文提出了一种由光梯度力驱动的纳米硅基光开关, 实现了硅基光开关的全光控制. 该光开关由一个部分悬空的微环谐振器和一个交叉波导结构构成, 当通入一道控制光时, 悬空的微环谐振器在光梯度力的作用下发生弯曲, 微环谐振器的谐振波长随之发生变化, 从而实现光信号的传输路线发生改变. 该光开关利用纳米光子制造技术在标准绝缘体上硅晶圆上制造, 实验数据得出其最小消光比为10.67 dB, 最大串扰为 -11.01 dB, 开关时间分别为180 ns和170 ns. 该光开关具有尺寸小, 响应速度快, 低损耗和可拓展等优点, 在片上集成光路、高速信号处理以及下一代光纤通信网络中具有潜在应用.     

Study on all-optical switching characteristics of ethyl orange-doped polymer film

The all-optical switching polymer thin films with azobenzene dye ethyl orange as the guest material and polyvinyl alcohol (PVA) as the host material were prepared by adulteration and spin-coating methods. The all-optical switching characteristics of the samples were measured at different intensities and modulation frequencies of the pump beam (532 nm, CW); the influence of doping concentration on the all-optical switching effect of the films was studied. It is shown that, under room temperature conditions and with a low pump power of 6 mW, the all-optical switch has a response time of about 2 ms and a modulation depth of 45%, and the maximal modulation depth reaches 90%. In addition, it is found that samples with higher doping concentration show a stronger all-optical switching effect but a larger background signal, and good switching performance is obtained by choosing the doping concentrations from 0.8% to 2% of the sample.     

SOA-assisted Sagnac switch and investigation of its roadmap from 10 to 40 GHz

Future broadband optical communications networks will rely on all-optical switches to perform a set of processing functions exclusively in the optical domain. Interferometric optical switches using semiconductor optical amplifier (SOA) nonlinearities can perform efficient optical switching with few tens of fJ control energies and short fiber lengths allowing for monolithic integration. In this paper we present work performed with a three terminal SOA-assisted Sagnac interferometer. We review all-optical Boolean AND and XOR logic results at 10 GHz and 10 Gb/s for full duty cycle and pseudo-random data pattern operation, respectively, achieved with adequate contrast ratios, remarkably low switching energies and low pattern dependence. The ability of the device to be cascaded was proved up to 10 GHz by recirculating stably for hours arbitrary pattern profiles. Finally, and in view of the extension of photonic networks single channel data rates beyond 40 Gb/s, the performance of the switch was simulated in terms of its critical parameters. The obtained results showed that full switching operation at 40 GHz or higher is feasible either by deploying gain recovery reduction techniques in bulk and quantum well SOAs or alternatively other technologically advanced optical devices, such as quantum dot SOAs.     

基于半导体光放大器的非归零信号时钟恢复

提出了一种基于半导体光放大器加窄带光纤光栅滤波器，将非归零信号转换为伪归零信号，再把伪归零信号注入到主动锁模环行腔激光器进行时钟提取的非归零信号时钟恢复方案.利用该方案实现了10 Gb/s伪随机非归零信号的全光时钟恢复，对工作原理和结果进行了分析和讨论.实验证明该方案具有结构简单，调整容易，输出波形好的特点.     

High-speed optical signal processing using semiconductor optical amplifiers

The authors report on all-optical switching devices based on semiconductor optical amplifiers (SOA) in applications for optical time division multiplexing (OTDM) transmission technology. The report includes a discussion on the basic properties of an SOA, on the nonlinear processes of cross-phase modulation and four-wave mixing in the SOA used for all-optical switching, and on the application of the SOA as demultiplexer, add-drop multiplexer, clock recovery and wavelength converter. The devices considered here operate at data rates in excess of \Gb80, where electrical signal processing is not available today.     

Optical switching of 2-(2<Superscript>′</Superscript>-hydroxyphenyl) benzoxazole in different solvents

All-optical switching and beam deflection of 2-(2^′-hydroxyphenyl) benzoxazole (HBO) in three species of solvent (cyclohexane, ethanol and dimethyl sulfoxide) have been investigated by using third-harmonic generation (355 nm) of a mode-locked Nd:YAG laser as a pump beam and a continuous-wave He-Ne laser (632.8 nm) as a probe beam. The nonlinear refractive indices of HBO in different solvents are determined by using the Z-scan technique. The optical switching and beam-deflection effects are due to the change of the refractive index of HBO under the pump beam. Through the study of the absorption spectra and the fluorescence spectra of HBO in different solvents, we conclude that the principal reason for the change of the refractive index of HBO is not the thermal effect because of absorption of the pump beam, but the excited-state intramolecular proton-transfer (ESIPT) effect of HBO under the pump beam. As the ESIPT process is very fast, HBO might be an excellent material for high-speed optical switching. Received: 28 October 2002 / Revised version: 18 March 2003 / Published online: 2 June 2003 RID="*" ID="*"Corresponding author. Fax: +86-22/2350-1242, E-mail: zhanggl@nankai.edu.cn