强非线性吸收下高斯光束Z-扫描衍射理论模型

 摘要：在同时考虑非线性折射和非线性吸收的情况下，借助光的衍射理论，研究了Z-扫描技术的衍射理论模型，分析了非线性折射和非线性吸收同时存在时Z-扫描曲线的形状特征和变化规律。数值计算表明，非线性吸收相移和非线性折射相移的比值是影响接收小孔输出光功率的重要因素。要想得到好的光限幅效果，应选取非线性相移比值远小于1或远大于2的非线性材料。     

强非线性吸收下高斯光束Z-扫描衍射理论模型

在同时考虑非线性折射和非线性吸收的情况下,借助光的衍射理论,研究了Z-扫描技术的衍射理论模型,分析了非线性折射和非线性吸收同时存在时Z-扫描曲线的形状特征和变化规律。数值计算表明,非线性吸收相移和非线性折射相移的比值是影响接收小孔输出光功率的重要因素。要想得到好的光限幅效果,应选取非线性相移比值远小于1或远大于2的非线性材料。     

基于衍射模型的Z扫描理论

以菲涅耳－基尔霍夫衍射理论为基础，建立了非线性光学介质对高斯光束的衍射模型，从一种新的角度解释了Z扫描现象，这种理论不仅在小非线性相移的情况下与传播Z扫描理论的结果完全一致，而且还适用于大非线性相移的情况。数值计算表明，随着非线性相移的增大，原来近似对称的Z扫描曲线发生畸变，谷的透过率被饱和抑制而峰的透过率被增强。通过开孔的光功率随着入射激光功率的增加会出现振荡衰减现象。     

基于衍射理论的大非线性相移Z扫描研究

以衍射理论为基础,建立了强非线性吸收下,非线性介质对高斯光束的衍射模型.数值计算表明,折射相移的增大使峰的透过率增强而谷的透过率趋于饱和;而吸收相移的增大使峰的透过率被抑制而谷的透过率增强.相移比值是决定谷-峰结构存在与否的关键.在一定的输入功率下,远场输出功率并不是完全随着非线性吸收系数的增大而增大.该理论的近似条件只要求是薄样品,具有更好的适用性.     

Z-扫描技术与非线性光学材料性质的测量

介绍了Z-扫描技术的基本原理，以及Z-扫描技术在测量非线性光学介质的非线性折射率、非线性吸收系数和光学限制器等方面的应用，以细菌视紫红质(bR膜)、碘的酒精溶液和偶氮材料CN2为例，分别介绍了它们的测量结果，给出了提高Z-扫描灵敏度的改进方法，介绍了其发展装状况。     

强非线性吸收下Z扫描衍射模型及实验研究

根据光的衍射理论,建立了非线性光学介质对高斯光束的开孔Z 扫描理论模型.数值计算表明,当相移比值Γ≤0.15,出射光功率随入射光功率的增加出现振荡衰减现象;当Γ>0.15,在输入光强低于某一个值时,输出随输入的增加而线性增加;当输入光强超过该值后,输出功率不再增加甚至趋于零.实验采用Nd∶YAG脉冲激光,在波长为532 nm,脉宽8 ns条件下,对含3.5%和7.0%碳纳米管的聚苯胺/碳纳米管复合体薄膜（PANI/MWCNT）的非线性吸收特性进行了研究.计算表明,该类化合物的激发态吸收截面积远大于其基态吸收截面积,具有很强的反饱和吸收.     

Z-扫描技术的灵敏度分析

单光束激光Z-扫描技术是利用光束的横向特性来研究材料的光学非线性的,其灵敏度的提高有助于测量微弱折射率变化。从入射光束、调制方式、光束检测等方面论述了Z-扫描技术的灵敏度。顶环光束入射相对于标准Z-扫描技术的高斯光束入射其灵敏度可提高2.5倍,但要求光源的输出能量达到一定值,仅适用于测定较小的非线性相移;在光路中插入调制元件后放大因子可达到780,但调节光路难以调节焦移效应。利用CCD作为探测器的TPDZ-扫描技术能够测量小于λ/15000的非线性相位畸变,CCD能够充分获得光束的横向信息,有望成为另一种测量光学非线性的常用方法。     

CdSeS量子点的光学非线性特性

以脉冲宽度为35 ps,基频为1064 nm的Nd:YAG锁模激光器二倍频532 nm的激光作激发,利用Z-扫描技术研究了CdSeS量子点的光学非线件特性.实验结果表明CdSeS量子点在532 nm光激发下具有很大的非线性吸收效应,该吸收效应来自于光学三阶效应引起的双光子吸收.在不同的入射光强下观测了CdSeS量子点的Z-扫描曲线,实验表明,CdSeS具有大的非线性折射率1.9×10-8esu和大的双光子吸收截面25283 GM,比现在使用的ZnS量子点高出近2个数量级.     

相位物体Z-扫描研究金属簇合物[Tp*W(μ3-S)3Cu3Py3(μ3-Br)](PF6)/DMF溶液的瞬态热致非线性折射

在纳秒时域,采用相位物体(PO)Z-扫描技术研究了一种新型金属簇合物溶液的瞬态热致非线性效应.该方法的最大优点是很容易区分瞬态热致非线性折射和三阶非线性折射.本文利用PO Z-扫描和传统Z-扫描研究了在8 ns脉宽、不同能量激光脉冲作用下[Tp*W(μ3-S)3Cu3Py3(μ3-Br)](PF6)/DMF溶液的光学非线性.从声波方程和热传导方程出发,对实验结果进行了理论分析和数值模拟,理论值和实验结果很好的吻合.研究结果表明,样品溶液的非线性折射主要来源于瞬态热致非线性效应.     

ZnO/ZnS核-壳量子点的双光子吸收效应

利用飞秒激光Z-扫描与泵浦-探测技术,研究了室温下ZnO/ZnS与ZnO/ZnS/Ag核-壳胶体量子点的双光子吸收效应.研究发现:ZnO基核-壳量子点的本征双光子吸收系数比ZnO体材料增大了3个数量级;测量得到的660 nm处的ZnO/ZnS核-壳量子点双光子吸收截面约为4.3×10^-44 cm⁴·s·photon^-1,比相应的ZnS、ZnSe及 CdS量子点大2个数量级;当ZnO/ZnS核-壳量子点镶嵌了银纳米点时,非线性吸收有所增强.ZnO基复合纳米结构的双光子吸收增强可归因于量子限域与局域场效应.     

Nonlinear optical studies of 1-3-diaryl-propenones containing 4-methylthiophenyl moieties

The third-order nonlinear optical properties of chalcone derivatives have been studied using the single beam Z-scan technique. The dependence of χ⁽³⁾ on different donor and acceptor type substituents demonstrates the electronic nonlinearity of compounds. The largest value of nonlinear refractive index, n₂, measured for a high electron donor substituted molecule is −2.033 × 10⁻¹¹ esu. These molecules exhibit a strong two-photon absorption and interesting optical limiting of nanosecond laser pulses at 532 nm.     

3,3′-Benzene-1,4-diylbis[1-(substituted)phenylprop-2-en-1-one] derivatives: A new class of materials for third-order nonlinear optical applications

We have investigated the third-order nonlinear optical parameters of Bischalcones embedded in DMF solution and in solid PMMA matrix, by Z-scan technique using nanosecond laser pulse trains at 532 nm. Z-scan results reveal that the Bischalcones exhibits negative nonlinear refractive index as high as 10⁻¹¹ esu. The molecular two-photon absorption cross-section of Bischalcones were of the order 10⁻⁴⁶ cm⁴ s/photon, which is nearly two orders of magnitude larger than that of Rhodamine 6G which is 10⁻⁴⁸ - 10⁻⁵⁰ cm⁴ s/photon. We found that, the two-photon absorption (TPA) is the dominating nonlinear process leading to nonlinear absorption in both the cases in solution and as well as in solid medium. Based on TPA process, the Bischalcones exhibit good optical power limiting of nanosecond laser pulses at the input wavelength. The nonlinear optical parameters found to increase on enhancing the strength of the electron donor groups indicating the dependence and importance of electron donor/acceptor units on third-order nonlinear optical susceptibility χ⁽³⁾.     

Z-scan determination of the third-order optical nonlinearity of a triphenylmethane dye using 633 nm He–Ne laser

The third-order nonlinear optical response of a triphenylmethane dye (Acid blue 7) was studied using the Z-scan technique with a continuous-wave He–Ne laser radiation at 633 nm. The magnitude and sign of the third-order nonlinear refractive index n₂ of aqueous solution of Acid blue 7 dye were determined; the negative sign indicates a self-defocusing optical nonlinearity in the sample studied. The negative nonlinear refractive index n₂ and nonlinear absorption coefficient β were estimated to be −1.88 × 10⁻⁷ cm²/W and −3.08 × 10⁻³ cm/W, respectively, corresponding to Re(χ⁽³⁾) = −8.35 × 10⁻⁶ esu, and Im(χ⁽³⁾) = −6.88 × 10⁻⁷ esu. The experimental results show that Acid blue 7 dye have potential applications in nonlinear optics.     

偶氮分散红聚合物薄膜的Z扫描研究

采用单光束Z扫描技术对新型光学存储材料偶氮分散红聚合物的薄膜样品进行了测量。实验结果表明 ,该样品的非线性折射率为负值。为消除非线性吸收的影响 ,将实验所得有孔Z扫描曲线除以开孔Z扫描曲线进行了处理。从Z扫描曲线的实验数据处理得到这种新型偶氮分散红聚合物薄膜材料的非线性折射率为 :- 5 .5× 10 -6cm2 /W ,其值比常见无机非线性光学材料大 8～ 9个数量级 ,是一种很有应用前景的新型光学存储材料。最后 ,对这种偶氮聚合物薄膜具有大的非线性折射率的物理机制进行了分析。初步认为 :在线偏振光照射下 ,偶氮分子变为各向异性。这些类似液晶相的分子很好地关联在一起 ,分子的取向对外界扰动的响应是一种集体的效果 ,所以他们具有很大的非线性响应。     

不同激光脉冲宽度下甲苯的光学非线性特性的研究

在不同激光脉冲激发下,用Z 扫描法测量了甲苯的三阶光学非线性,发现其非线性折射率随着脉冲宽度增加而增大（从150 fs时的3.7×10－16 cm2/W到4 ns时的2.6×10－14 cm2/W）.在波长532 nm、光强4.73×1014 W/m2 和21 ps的脉冲作用下,甲苯溶液呈现反饱和吸收现象.结果表明,该吸收效应主要来自于导致该分子中苯环结构π－π电子跃迁的双光子吸收的贡献.     

以芘为中心系列衍生物的单光子和双光子吸收特性理论研究

在含时密度泛函理论的水平上,利用响应场理论方法研究了以芘为中心系列衍生物的单光子和双光子吸收特性. 研究结果表明,在低能量范围内,每个分子有多个电荷转移态. 单光子吸收性质与实验结果符合较好. 随着分子尺寸的增加,分子的最大双光子吸收截面显著增加,其中具有四分枝结构分子的最大双光子吸收截面是单枝结构分子的5.6倍. 同时,分子的双光子吸收截面与分子结构的对称性有关.其中对称结构分子具有较大的双光子吸收截面.     

可溶性高聚物-多壁碳纳米管复合物的吸收光谱和光限幅性能研究

合成了三种可溶性高聚物嫁接的多壁碳纳米管复合物,包括聚乙烯基咔唑-多壁碳纳米管复合物(MWNTs-PVK),聚苯乙烯-多壁碳纳米管复合物(MWNTs-PSt)和聚甲基丙烯酸甲酯-多壁碳纳米管复合物(MWNTs-PMMA)。合成样品的TEM图显示出高聚物成功地包裹在碳纳米管外。样品的氯仿溶液UV-Vis 吸收谱显示,复合物的紫外区与纯的多壁碳纳米管不同,有一些复杂的特征吸收峰,反映了高聚物与碳纳米管共价连接的作用。利用Z扫描技术通过527 nm的纳秒激光脉冲激发研究了这三种复合物的非线性光学性质和光限幅性能。这三种复合物的氯仿溶液的光限幅性能很相似,并且优于纯多壁碳纳米管氯仿悬浮液和C60甲苯溶液。为解释观察到的结果,研究了样品的非线性折射,非线性吸收和非线性散射机制。结果显示,非线性吸收是引起样品光限幅的主要机制。