1、我們正處在一個信息社會。人們的社會和經(jīng)濟生活都極大依賴于信息的交流和利用。信息傳輸量大、傳輸速率高、響應速度快、抗干擾能力強、信噪比好是信息傳輸和數(shù)據(jù)存儲等信息領域的發(fā)展趨勢。光纖通信的出現(xiàn)大大緩解了長期以來一直困擾人們的傳輸速度低、信噪比差和易干擾等問題。但是在目前的光纖通信系統(tǒng)中，往往存在很多的光電和電光轉換器件，而這些電了裝置由于存在切換時間慢、時鐘偏移、嚴重串話等缺點，而產(chǎn)生了光纖通信系統(tǒng)中的“信息瓶頸”現(xiàn)象。全關開關是解決這個

2、問題的一個有效手段。全光開關的工作原理利用了材料的三階非線性光學特性，用一束光引起材料的折射率發(fā)生變化，信號光在其中通過時就會帶來相位的變化，從而實現(xiàn)光開關的開關動作。由于全光開關可以突破限制電、聲、熱、機械等光開關單道傳輸速率的極限，促使人們以極大的熱情注目全光開關器件的研究。三階非線性光學材料還有其它方面的應用，比如制作光限幅器件等。隨著飛秒、皮秒等超快激光的出現(xiàn)，光束的光功率密度很容易可達到幾百GW/cm<'2>，在這個強度下，人

3、的眼睛很容易受到傷害，測試用的探測器也很容易被打壞。材料的雙光子吸收、反飽和吸收等三階非線性光學性能都可以用來制作光限幅器件。響應快、防護波段寬、限幅閾值低、透射率高的光限幅器件，能有效防護激光對人眼、傳感器以及設備的損害。材料的三階非線性光學性能還可被應用于調Q、被動鎖模等超快激光產(chǎn)生技術方面，飛秒激光脈沖的克爾透鏡鎖模(Kerr Lens mode locking)技術就是利用了材料的非線性光學特性，因材料的折射率隨光強而變化，使得

4、激光器運轉中的尖峰脈沖得到的增益高出連續(xù)的背景激光增益，從而實現(xiàn)超短激光脈沖的輸出。 全光開關、光限幅等器件潛在的多方面實際應用價值，迫使科學家們不斷探索、尋求具有高三階非線性光學性能的新材料。制作全關開關，要求非線性光學材料的三階非線性折射要大，線性吸收和非線性吸收系數(shù)要小，響應速度要快。三階非線性折射率大，則需要的控制光的光功率密度就不用很高，可降低費用。線性吸收和非線性吸收系數(shù)小，可降低信息傳輸損耗，還可以減小熱效應

5、的影響，提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。而用來制作光限幅器件的材料則要求 雙光子吸收和反飽和吸收效應等要大。當今，國內外科學家們正在尋找性能優(yōu) 異的三階非線性光學材料和建立并優(yōu)化對新材料的三階非線性光學特性的表征 技術，已經(jīng)有了很多這方面的報道，這個課題也成為當今國內外光通信技術和 新材料探索領域內的研究熱點之一。 三階非線性光學材料性能參數(shù)的實驗測試是三階非線性光學材料性能研究 的重要手段，它不僅可以區(qū)分不

6、同材料之間三階非線性光學性能的差異，而且 還可以從內在機制方面揭示材料具有三階非線性光學性能的根本原因，從而為 設計合成性能更加優(yōu)異的新材料提供重要的指導作用，并為器件的設計提供依 據(jù)?；谶@個目的，本論文主要內容有以下幾個方面： 第一，本論文重點研究了金屬雙噻吩(DMIT)類材料。我們研究組在探索 具有高三階非線性光學性能的新材料的過程中，先后合成了多種金屬雙噻吩類 的有機配合物型半導體新材料。三

7、階非線性光學材料是近年來非線性光學材料 領域的研究熱點。研究的材料種類也很多，報道比較多且集中的材料有半導體 類、鈦酸鹽類、金屬氧化物類和有機材料等。有機材料有很多顯著的特點，如 易組合、易集成器件、可剪裁、具有低的介電常數(shù)、快的非線性光學響應時間 和較高的非共振光學極化率等，是近年來研究最廣泛的一類材料。這類有機材 料一般具有π電子共軛體系，離域π電子在材料的三階非線性光學效應中起著 重要作用。金屬

8、雙噻吩是一類優(yōu)良的有機金屬導體材料，金屬雙噻吩部分在整 個分子中是富含硫的陰離子，簡寫為Metal(dmit)<,2>，它們大多具有中心對稱的結 構，中心的金屬原子可以是Au、Ni、Cu、C0等多種金屬原子，dmit代表1，3 dithiol-2-thione-4，5-dithi01ate，通過替換不同的金屬離子，材料的性質就 可以得到改變。從這類材料的分子結構式上可以看到它們具有優(yōu)良的π電子共 軛體系，離

9、域π電子很容易帶來大的三階非線性光學效應。本課題組采用理論 分析和化學合成相結合的方法，探索、合成與制備了含Au等金屬元素的幾種 DMIT新材料，并報導了它們的單晶結構和線性吸收等性質。 第二，在實驗室自行搭建了表征材料三階非線性光學性能的實驗裝置，并 在儀器控制和數(shù)據(jù)采集等方面做了改進。表征材料的三階非線性光學性能的方 法有很多，例如干涉法、三波混頻、簡并四波混頻、橢偏法和光束畸變方法等。這些方法具

10、有一些自身的缺點，如實驗裝置較復雜和不能區(qū)分非線性極化率的實部和虛部等。1989年M.Sheik-Bahae等人提出了一種新的表征材料三階非線性折射率和非線性吸收的測量技術一Z掃描方法。這種方法不僅實驗裝置簡單，測量靈敏度高，并且能區(qū)分三階非線性極化率的實部和虛部。時間分辨雙色Z掃描技術還能研究材料的非線性響應時間，區(qū)分不同響應時間的非線性光學效應。本論文對Z掃描方法進行了系統(tǒng)地研究，給出了Z掃描方法的具體理論推導過程和常用公式；并在實

11、驗室搭建了一套皮秒Z掃描實驗裝置，用Labview軟件編寫了控制數(shù)據(jù)采集和位移平臺的測量軟件，并協(xié)調了它們的工作步驟，大大縮短了實驗時間，利用這套軟件還可以設置實驗時激光能量抖動的限定范圍，超出了抖動限定范圍的脈沖不采用，也可以設置一個工作點，對采集的脈沖數(shù)再取平均，這兩點都能大大減小了實驗的誤差，提高了測量結果的準確性。響應時間也是表征材料性能優(yōu)劣的一個重要參數(shù)，響應時間越快，器件工作性能越高。響應時間的測量主要有兩種方法：條紋相機方

12、法和飛秒分辨光克爾實驗方法。條紋相機方法不能得到材料三階非線性極化率大小的信息，只能得到三階非線性光學性能的響應時間；而飛秒分辨光克爾實驗方法不僅可以得到三階非線性光學性能的響應時間的相關信息，還可以同時得到材料三階非線性極化率的大小。本論文介紹了這兩種方法，并采用飛秒分辨光克爾實驗方法，又稱為雙光束Pump-Probe的方法，測量了材料的三階非線性極化率、分子二階超極化率和它的響應時間。 第三，本論文以DMIT類材料為研究對象

13、，系統(tǒng)地對這類材料的三階非線性折射率、非線性吸收、三階非線性極化率、分子二階超極化率、基態(tài)和激發(fā)態(tài)吸收截面、雙光子吸收截面，以及材料的響應時間等性能參數(shù)進行了全面地表征。DMIT類材料由于具有高的三階非線性光學性能，之前已有人對這類材料的某幾種作了一些研究工作，但他們或是采用簡并四波混頻的方法，或是采用Pump-Probe方法，這些測量方法都不能區(qū)分材料三階非線性極化率的實部和虛部，并且他們采用的測量波長有的就在近共振區(qū)，非線性吸收對三

14、階非線性極化率的貢獻很大，不能準確地表征材料在應用時，特別是在應用于光開關時具有的三階非線性折射率。為此，本論文利用我們研究組自行建立的Z-scan等實驗裝置對這類配合物的三階非線性光學性質進行了全面、系統(tǒng)地研究，分別得到了這類材料的三階非線性折射率、非線性吸收、三階非線性極化率、分子二階超極化率、基態(tài)和激發(fā)態(tài)吸收截面以及雙光子吸收截面等一系列性能參數(shù)，并對三階非線性光學性能與材料線性吸收特性、測量波長和材料結構等方面的關系進行了深入地