胡月

（蘇州大學 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 215006）

本文中我們用時間分辨泵浦探測器來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。實驗結(jié)果顯示羥乙基苯基卟啉三丙酸酯有較強的反飽和吸收和自散焦效應。通過簡化的三能級獲得了樣品的光物理機制和參數(shù)，發(fā)現(xiàn)樣品具有較長的激發(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，越來越多的非線性光學性質(zhì)被應用在光子學和光電子學中，如光限幅和光學開關(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)上的時間分辨泵浦探測技術(shù)可以同時探究樣品的非線性吸收與非線性折射機制。實驗結(jié)果通過經(jīng)典的納秒Z掃描再次證實，結(jié)合五能級模型簡化后的三能級模型，我們得到了相應的非線性參數(shù)：吸收截面、單重態(tài)壽命、系間跨越時間和折射系數(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制。

1 實驗

用銦離子取代在核心的兩個弱酸性質(zhì)子。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）直接由化學鍵跟卟啉結(jié)合。在圖1中，n=26。在本實驗中，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)

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

簡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：各個能級所對應的吸收截面：σS0，σS1，σT1；各個激發(fā)態(tài)能級所對應的折射體積：△ηSl，△ηTl；各個激發(fā)態(tài)能級所對應的能級壽命：τSl,τTl；系間躍遷時間：τISC。通過數(shù)值模擬，來確定各個參數(shù)。樣品的吸收可表示成：

沒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。由于在泵浦探測的數(shù)據(jù)中，吸收和折射的延遲時間大致不變，因此，σT1、△ηT1、τS1、τISC這四個參數(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)能級的壽命長，S1能級上所有粒子的相當一部分回到S0，而余下的粒子以系間躍遷的形式到T1上，此時T1上的粒子不再弛豫，所以此時△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)能級的壽命短，S1能級上粒子向基態(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)到延遲時間結(jié)束。此種情況中，△ηr1>△ηS1。再用波長為532納米，脈沖寬度為4納秒的納秒Z掃描實驗來進一步確定樣品的性質(zhì)。在本實驗中，△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

本文中我們用時間分辨的泵浦探測技術(shù)和納秒Z掃描技術(shù)實驗研究了羥乙基苯基三丙酸酯/二甲基酰胺溶液在皮秒時域和納秒時域下波長為532納米的光學非線性性質(zhì)。實驗結(jié)果結(jié)合了三能級理論模型分析，得到了樣品非線性光學性質(zhì)的機制。得到樣品有較強的反飽和吸收和自散焦效應。通過簡化的三能級獲得了樣品的光物理機制和參數(shù)，發(fā)現(xiàn)樣品具有較長的激發(fā)態(tài)壽命。進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