羥乙基苯基卟啉三丙酸酯的超快非線性研究

胡月

（蘇州大學(xué) 215006）

羥乙基苯基卟啉三丙酸酯的超快非線性研究

胡月

（蘇州大學(xué) 215006）

本文中我們用時(shí)間分辨泵浦探測(cè)器來(lái)研究一種新的卟啉衍生物羥乙基苯基卟啉三丙酸酯的非線性吸收與非線性折射。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示羥乙基苯基卟啉三丙酸酯有較強(qiáng)的反飽和吸收和自散焦效應(yīng)。通過(guò)簡(jiǎn)化的三能級(jí)獲得了樣品的光物理機(jī)制和參數(shù)，發(fā)現(xiàn)樣品具有較長(zhǎng)的激發(fā)態(tài)壽命而且適合在光限幅領(lǐng)域發(fā)揮其作用。

引言

隨著激光的發(fā)展，越來(lái)越多的非線性光學(xué)性質(zhì)被應(yīng)用在光子學(xué)和光電子學(xué)中，如光限幅和光學(xué)開(kāi)關(guān)等[1～2]。在本文中，我們研究了一種新型的卟啉衍生物，命名為羥乙基苯基卟啉三丙酸酯。我們用基于Z掃描技術(shù)上的時(shí)間分辨泵浦探測(cè)技術(shù)可以同時(shí)探究樣品的非線性吸收與非線性折射機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)經(jīng)典的納秒Z掃描再次證實(shí)，結(jié)合五能級(jí)模型簡(jiǎn)化后的三能級(jí)模型，我們得到了相應(yīng)的非線性參數(shù)：吸收截面、單重態(tài)壽命、系間跨越時(shí)間和折射系數(shù)等一系列參數(shù)，解釋了羥乙基苯基卟啉三丙酸酯非線性機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)

用銦離子取代在核心的兩個(gè)弱酸性質(zhì)子。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）直接由化學(xué)鍵跟卟啉結(jié)合。在圖1中，n=26。在本實(shí)驗(yàn)中，將羥乙基苯基卟啉三丙酸酯溶于二甲基甲酰胺中，濃度為1.1×10-4mol/L，放置于2mm厚的石英樣品池中。

圖1 羥乙基苯基卟啉三丙酸酯的分子結(jié)構(gòu)圖

2 結(jié)果與討論

羥乙基苯基卟啉三丙酸酯/二甲基酰胺溶液的線性透過(guò)率為T=52%。

表1 羥乙基苯基卟啉三丙酸酯的一些參數(shù)

我們用五能級(jí)模型簡(jiǎn)化等效成三能級(jí)模型來(lái)討論本樣品的非線性光學(xué)性質(zhì)。只要考慮電子在S0，S1，T1三個(gè)能級(jí)的布居和躍遷情況。

簡(jiǎn)化后我們能得到羥乙基苯基三丙酸酯的一組非線性參數(shù)有：各個(gè)能級(jí)所對(duì)應(yīng)的吸收截面：σS0，σS1，σT1；各個(gè)激發(fā)態(tài)能級(jí)所對(duì)應(yīng)的折射體積：△ηSl，△ηTl；各個(gè)激發(fā)態(tài)能級(jí)所對(duì)應(yīng)的能級(jí)壽命：τSl,τTl；系間躍遷時(shí)間：τISC。通過(guò)數(shù)值模擬，來(lái)確定各個(gè)參數(shù)。樣品的吸收可表示成：

沒(méi)有泵浦光作用的情況下，樣品的吸收可以表示為線性吸收：

式中：α0=logT0/-L，N0=NA·C，T0=0.52 是樣品的線性透過(guò)率，NA為阿伏伽德羅常數(shù)，L是樣品厚度，C為溶液濃度1.1×10-4mol/L，計(jì)算得σS0=7.1×10-22，m3，σS1=2.1×10-21，m3，△ηS1=-2.0×10-20m3。由于在泵浦探測(cè)的數(shù)據(jù)中，吸收和折射的延遲時(shí)間大致不變，因此，σT1、△ηT1、τS1、τISC這四個(gè)參數(shù)可能有兩種不同的組合形式：第一種情況：系間躍遷的壽命比單重態(tài)第一激發(fā)態(tài)能級(jí)的壽命長(zhǎng)，S1能級(jí)上所有粒子的相當(dāng)一部分回到S0，而余下的粒子以系間躍遷的形式到T1上，此時(shí)T1上的粒子不再弛豫，所以此時(shí)△ηT1>△ηS1。第二種情況，系間躍遷的壽命比單重態(tài)第一激發(fā)態(tài)能級(jí)的壽命短，S1能級(jí)上粒子向基態(tài)弛豫的占總數(shù)的很少一部分，而大部分以系間躍遷的形式布居在T1上，持續(xù)到延遲時(shí)間結(jié)束。此種情況中，△ηr1>△ηS1。再用波長(zhǎng)為532納米，脈沖寬度為4納秒的納秒Z掃描實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步確定樣品的性質(zhì)。在本實(shí)驗(yàn)中，△ηT1>△ηS1，羥乙基苯基卟啉三丙酸酯/二甲基酰胺溶液具有較大的單重態(tài)和三重態(tài)吸收截面，可用于光限幅。

3 結(jié)論

本文中我們用時(shí)間分辨的泵浦探測(cè)技術(shù)和納秒Z掃描技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究了羥乙基苯基三丙酸酯/二甲基酰胺溶液在皮秒時(shí)域和納秒時(shí)域下波長(zhǎng)為532納米的光學(xué)非線性性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合了三能級(jí)理論模型分析，得到了樣品非線性光學(xué)性質(zhì)的機(jī)制。得到樣品有較強(qiáng)的反飽和吸收和自散焦效應(yīng)。通過(guò)簡(jiǎn)化的三能級(jí)獲得了樣品的光物理機(jī)制和參數(shù)，發(fā)現(xiàn)樣品具有較長(zhǎng)的激發(fā)態(tài)壽命。進(jìn)一步確定了樣品在光限幅領(lǐng)域的發(fā)展空間。

[1]Nie，W.J.，"Optical nonlinearity：phenomena，applications，and materials"，Adv.Mater.，5（7～8）：520～545（1993）.

[2]Tutt，L.W.，and Boggess，T.F.，"A review of optical limiting mechanisms and devices using organics，fullerenes，semiconductors and other materials"，Prog.Quant.Electr.，1（4）：299～338（1993）.

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1004-7344（2016）13-0290-01

2016-4-15