三階非線性光學(xué)材料

1、材料的光學(xué)非線性及其測(cè)量材料的光學(xué)非線性及其測(cè)量姓名：陳飛飛材料光學(xué)非線性的一般原理材料的非線性極化 強(qiáng)光場(chǎng)或其它外加場(chǎng)的擾動(dòng)原子或分子內(nèi)除線性振動(dòng)外還電容率受到偏離線性的附加擾動(dòng)，材料的極化響變?yōu)闀r(shí)間或空間的函數(shù)，材料的與光波電場(chǎng)存在非線性應(yīng)關(guān)系。材電料的子的運(yùn)動(dòng)材料的非線性極：化 入射光波電場(chǎng)材料的原子或分子體系感生電偶極矩并進(jìn)而輻射電磁波：光與材料的相互作用非線性光學(xué)非線性光學(xué)非線性光學(xué)非線性光學(xué): 強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用強(qiáng)光和弱光的劃分強(qiáng)光和弱光的劃分: 比較比較 E與與 E 的大小的大小 E: 光場(chǎng)的強(qiáng)度光場(chǎng)的強(qiáng)度 E: 組成物質(zhì)的分子或原子內(nèi)部的組成物質(zhì)的分子或原

2、子內(nèi)部的平均電場(chǎng)強(qiáng)度平均電場(chǎng)強(qiáng)度線性關(guān)系線性關(guān)系強(qiáng)激光，強(qiáng)激光，E與與 E可比擬可比擬, 光場(chǎng)與物質(zhì)作用的非線性關(guān)系明顯光場(chǎng)與物質(zhì)作用的非線性關(guān)系明顯. 如光學(xué)倍頻和混頻如光學(xué)倍頻和混頻, 光學(xué)參量與振蕩光學(xué)參量與振蕩, 自聚焦自聚焦, 光學(xué)相位共軛光學(xué)相位共軛, 光的受激散射光的受激散射, 光致透明光致透明, 多光子吸收多光子吸收.普通光源的光普通光源的光,1EE00ijiijjjiPPEE 引起的滿足線性關(guān)系式中為極化率， 為真空電容極化。電強(qiáng) 率度較弱光波料由電場(chǎng)材：材料的非線性極化 強(qiáng)光場(chǎng)或其它外加場(chǎng)的擾動(dòng)導(dǎo)致不同頻率光波之間的，能量耦合頻率、振幅、偏振及傳從而是入射光波的發(fā)生改變。播

3、方向非線性極化引起材料的變化，光學(xué)性質(zhì)材料的非線性光學(xué)效應(yīng)：10ijijkijklijjjjkkjjkklljkljkliPPEEEEEEEEEE（ ）（2）（3）引起的滿足非線性關(guān)系式中、分別為電場(chǎng)、對(duì)應(yīng)的角頻率， 右邊第一項(xiàng)表示線性光學(xué) 效應(yīng)； 第二、第三項(xiàng)分別表示二次、三次非線性光學(xué)效應(yīng)。電極化強(qiáng)度 較強(qiáng)光波電材料：場(chǎng)由（激光）材料的非線性極化產(chǎn)生產(chǎn)生和頻差頻光整流四波混頻受激散射 、和等 光致折射率變化效應(yīng)過(guò)程；、和等現(xiàn)象，二次諧波三次諧波二次非線性極化三次非線性極化二次的非線性極化3)ijk 1212312312312非線性光學(xué)材料內(nèi)（12；當(dāng)= ，=2 時(shí)，所產(chǎn)生的諧波稱為當(dāng)=時(shí)，

4、所產(chǎn)生的諧波稱為統(tǒng)稱為；當(dāng)=時(shí)，所產(chǎn)生的諧波稱為當(dāng)=0時(shí)，產(chǎn)生直流電極化稱為。倍頻光和頻混頻差頻光整流和的兩束光耦合作用：一般只產(chǎn)生在有對(duì)稱晶格的各向異性介質(zhì)中一般只產(chǎn)生在有對(duì)稱晶格的各向異性介質(zhì)中材料的三階非線性33)3 ,iijklP 24421234（3）非線性光學(xué)材料內(nèi)（131；四波混頻三倍頻效、當(dāng)出現(xiàn)第四種頻率的極化波， 進(jìn)而輻射出的光波現(xiàn)象稱為當(dāng)基頻波時(shí)，此效應(yīng)稱為， 應(yīng)三 由輻射出的光波稱為諧波。次和的：三束光耦合作用又通過(guò) = + 的簡(jiǎn)并四波混頻，得到頻率仍然是的三階極化P()(3)： 2130100203, ,1PEEnnnnEnI 光致折射率變化效應(yīng)：原子核核外電子層折射光

5、入射光原子核畸變的核外電子層強(qiáng)入射光折射光禁帶導(dǎo)帶光子2中間能級(jí)雙光子吸收過(guò)程三階非線性的應(yīng)用與材料一、研究背景信息存儲(chǔ) 三次諧波產(chǎn)生全光網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān) 激光頻率調(diào)諧 光限幅器超連續(xù)光譜產(chǎn)生 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器三階非線性光學(xué)晶體半導(dǎo)體有機(jī)物高聚物金屬有機(jī)物非線性材料玻璃非線性材料種類優(yōu)良的非線性材料l具有一定的非線性系數(shù)l在工作波長(zhǎng)具有較好的透明度l在工作波長(zhǎng)具有較快的響應(yīng)時(shí)間l具有較高的光損傷閾值l能制成具有足夠尺寸、光學(xué)均勻的塊狀l物化性能穩(wěn)定，易于進(jìn)行各種加工材料 (m2W-1) (cm-1)品質(zhì)指數(shù) FGaAs/GaAlAs （半導(dǎo)體）10-8103102Polydiacetylenes （有機(jī)聚合

6、物）10-1510104Glass（玻璃）(Pb Glass, Ti Glass)10-1810-2105表1 幾種非線性光學(xué)材料的性能玻璃化學(xué)組成mol()no (3)(10-14esu) (10-20m2W-1)BeF2（氟化鈹）1.280.0780.75FluoroberyllateB-102（鈹酸氟）48.5BeF2 ,26.7KF ,13.8CaF2 ,9.9AlF3,1.1NdF31.34#0.111.0FluorophosphateE-115（磷酸氟）17.9Al(PO3) 3 ,54.2NaF ,26.9Ca2 ,1.0NdF31.470.312.4SiO21.450.362.

7、7BorosilicateBK-7（硼硅酸鹽）74SiO2 ,10B2O3,9.5Na2O,5.5K2O1.510.513.4表2 幾種低折射率玻璃的光學(xué)性能注：除帶#為587.6nm波長(zhǎng)外，其余均為1.06m波長(zhǎng)。 玻璃化學(xué)組成mol() (m)no (10-20m2W-1) (3)(10-14esu)SchottSF-56（氟化硫）1.061.75265.1CorningQS（硅酸鹽）40PbO,40SiO21.061.94348.0OthersK-1261(NBS)79TeO2,20Na2O31.061.995112As2 S3 （硫化砷）1.062.48174表3 幾種高折射率商用玻璃

8、的光學(xué)性能 另外，材料的三次極化張量(3)大致隨其線性折射率no的增加而提高，并導(dǎo)出了表示兩者之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。玻璃非線性光學(xué)材料玻璃非線性光學(xué)材料： 對(duì)不同玻璃系統(tǒng)進(jìn)行的旨在提高玻璃非線性光學(xué)折射率的研究，是近十多年來(lái)無(wú)機(jī)非金屬材料領(lǐng)域中的熱門課題。在研究玻璃的非線性折射率時(shí)，引入了一個(gè)與玻璃組分有關(guān)的新概念離子超折射度(hyperpolarizability)3，并且提出了與三次極化張量(3)的關(guān)系：式中 L為與材料的微觀局部電場(chǎng)和宏觀可測(cè)電場(chǎng)有關(guān)的因子；i為組分序號(hào)；N為i組分的離子濃度。 1041310esu 33/24iiLN a 41201nPb2+W6+Ba2+Nb5+V5+T

9、i4+Te4+玻璃玻璃加入加入有著高陽(yáng)離子極化率的有著高陽(yáng)離子極化率的金屬金屬離子會(huì)形成具有很高極離子會(huì)形成具有很高極化率的基團(tuán)，電子云容易發(fā)化率的基團(tuán)，電子云容易發(fā)生變形，有望改善生變形，有望改善鉍酸鹽鉍酸鹽玻玻璃的三階非線性光學(xué)極化率。璃的三階非線性光學(xué)極化率。 陽(yáng)離子陽(yáng)離子P5+B3+Si4+Mg2+Te4+Sb3+Bi3+Pb2+極化率極化率A30.0210.0020.0330.0881.5951.1111.5083.623陽(yáng)離子陽(yáng)離子Na+K+Ti4+V5+Nb5+Ta5+W6+Mo6+極化率極化率A30.1750.8181.9190.1231.0350.9750.1450.165陽(yáng)

10、離子極化率陽(yáng)離子極化率Bi3+玻璃非線性與光譜的關(guān)系玻璃非線性與光譜的關(guān)系 對(duì)于大多數(shù)絕緣體玻璃來(lái)說(shuō)，吸收截至處的光吸收都是以間接躍遷（能帶之間的躍遷需要吸收一個(gè)聲子）的形式完成的。240(/)()ggG hEn esuKn E用間接躍遷光學(xué)帶隙Eopg進(jìn)行計(jì)算，能夠得到比較好的擬合結(jié)果。0.00.81.0-0.04-0.020.000.020.040.060.08 G, n0n2E4opg/Kh/Eopg 理論曲線 Bi2O3-B2O3-TiO2硫系玻璃：由于陰離子硫?qū)ρ醯奶鎿Q，其(3)比氧化物玻璃為大，且是迄今為止所報(bào)導(dǎo)的具有最大(3)的非共振型玻璃（(3)最高接近10-

11、10 esu）。不過(guò)由于硫?qū)俨ＡУ谋菊魑兆钚≈滴挥?6um (硅酸鹽玻璃位于1um)，顯然在1.06um波長(zhǎng)測(cè)得的(3)有相當(dāng)部分屬于共振吸收分量。為了減少這種影響，曾對(duì)一系列硫?qū)俨ＡнM(jìn)行過(guò)2um的(3)測(cè)試，也很難排除共振吸收對(duì)測(cè)量值的影響。重金屬氧化物玻璃：由于重金屬離子（Bi3+，Pb2+，Te4+）有著大半徑和高級(jí)化率，因此在其中摻雜少量傳統(tǒng)玻璃形成體（SiO2，B2O3等）或者網(wǎng)絡(luò)調(diào)整體（TiO2，Nb2O5等）時(shí)可以形成具有高透過(guò)率，高機(jī)械性能以及高化學(xué)穩(wěn)定性的玻璃。這些重金屬氧化物玻璃一般具有高折射率，高紅外透過(guò)率以及高非線性性能（(3)最高能達(dá)到10-11esu），而且制備簡(jiǎn)

12、單。幾種非線性光學(xué)玻璃含有金銀微粒的玻璃非線性材料： 含有金或銀的透明材料具有很高的三階非線性極化率(3) 。這是由于其表面等離子體振子(surface plasmon)的激發(fā)引起局部場(chǎng)強(qiáng)的增加所致。局部場(chǎng)強(qiáng)的增加與基體的介電常數(shù)和所含金屬粒子有關(guān)，因此基體對(duì)材料的非線性光學(xué)性質(zhì)起著重要作用。激光激發(fā)Z掃描裝置測(cè)量材料的三階非線性性能自聚焦和自散焦 有著中間光強(qiáng)，兩面光弱的高斯型光束，使介質(zhì)的折射率在橫截面上也產(chǎn)生了相應(yīng)的變化，即自聚焦和自散焦過(guò)程。自散焦自聚焦兩種非線性吸收導(dǎo)帶價(jià)帶帶隙光子中間虛能級(jí)反飽和吸收（多光子吸收）導(dǎo)帶價(jià)帶帶隙光子激發(fā)態(tài)飽和吸收（電子弛豫時(shí)間遠(yuǎn)大于激光脈寬）Z掃描實(shí)驗(yàn)

13、裝置平臺(tái)小孔樣品全反鏡鈦寶石可調(diào)諧飛秒激光器探測(cè)器1探測(cè)器2雙通道功率計(jì)雙凸鏡步進(jìn)馬達(dá)控制器Z三階非線性三階非線性Z掃描測(cè)試系統(tǒng)原理圖掃描測(cè)試系統(tǒng)原理圖半反半透分光鏡應(yīng)用了材料自聚焦和自散焦以及非線性吸收的原理，Z掃描實(shí)驗(yàn)裝置成為了測(cè)量光學(xué)均勻材料非線性折射率n2和非線性吸收系數(shù)的有力工具。Z掃描測(cè)量的基本原理+Z0-Z樣品凸透鏡半反鏡接收器1接 收器2激光源小孔 泵浦探測(cè)技術(shù)測(cè)量材料的三階非線性性能超快激光光譜學(xué) 研究材料在超短脈沖激發(fā)后某些特性隨時(shí)間變化的快慢。 熒光強(qiáng)度、波長(zhǎng)分布隨時(shí)間的變化熒光強(qiáng)度、波長(zhǎng)分布隨時(shí)間的變化 吸收隨時(shí)間的變化吸收隨時(shí)間的變化 折射率隨時(shí)間的變化折射率隨時(shí)間的

14、變化常用探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間，時(shí)間分辨率： 光電探測(cè)器光電探測(cè)器 光電光電二極管：二極管： 1ns（載流子產(chǎn)生（載流子產(chǎn)生, 遷移遷移, 復(fù)合）復(fù)合） 光電倍增管：光電倍增管： m ms, 光電子多級(jí)放大光電子多級(jí)放大 熱釋電探頭：熱釋電探頭： 1ms 高速示波器高速示波器 100-500MHz - -10-2 ns 條紋相機(jī)條紋相機(jī) 0.52ps當(dāng)被研究的過(guò)程的變化速度小于探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)單次激發(fā)的測(cè)量。探測(cè)光一般采用（準(zhǔn)）連續(xù)光。探測(cè)光一般采用（準(zhǔn)）連續(xù)光。單色儀單色儀Sampleprobepump探測(cè)器探測(cè)器tTns過(guò)程過(guò)程: 光電探頭光電探頭+高速存儲(chǔ)示波器，直接記錄隨時(shí)間的變化曲

15、線高速存儲(chǔ)示波器，直接記錄隨時(shí)間的變化曲線 2ns （示波器由激光示波器由激光脈沖外觸發(fā)，掃描出一條探測(cè)光強(qiáng)度隨時(shí)間變化的脈沖外觸發(fā)，掃描出一條探測(cè)光強(qiáng)度隨時(shí)間變化的 曲線，并存儲(chǔ)起來(lái)）曲線，并存儲(chǔ)起來(lái)）ps過(guò)程過(guò)程: 條紋相機(jī)條紋相機(jī) 0.52ps飛秒過(guò)程 其變化速度遠(yuǎn)大于探測(cè)器的響應(yīng)速度l若采用若采用（準(zhǔn)）連續(xù)光來(lái)探測(cè)，由于探測(cè)器件反應(yīng)（準(zhǔn)）連續(xù)光來(lái)探測(cè)，由于探測(cè)器件反應(yīng)太慢，就會(huì)將探測(cè)光的強(qiáng)度變化作平均。因此不太慢，就會(huì)將探測(cè)光的強(qiáng)度變化作平均。因此不能獲得準(zhǔn)確的超快過(guò)程的信息，即使泵浦光脈沖能獲得準(zhǔn)確的超快過(guò)程的信息，即使泵浦光脈沖達(dá)到飛秒量級(jí)，也無(wú)濟(jì)于事達(dá)到飛秒量級(jí)，也無(wú)濟(jì)于事。解決

16、辦法：泵浦解決辦法：泵浦-探測(cè)技術(shù)探測(cè)技術(shù) Pump-probe最初稱為 Excite-probe最簡(jiǎn)單的飛秒光譜學(xué)方法：泵浦-探測(cè)技術(shù)DelaySlow detectorpumpSampleLensprobe探測(cè)光也是超短脈沖探測(cè)光也是超短脈沖，在一定的相對(duì)延時(shí)，在一定的相對(duì)延時(shí)t t下，探測(cè)器下，探測(cè)器只記錄該時(shí)刻的探測(cè)光強(qiáng)。只記錄該時(shí)刻的探測(cè)光強(qiáng)。（曲線上的一點(diǎn)）（曲線上的一點(diǎn)）改變泵浦和探測(cè)脈沖的相對(duì)延遲時(shí)間，改變泵浦和探測(cè)脈沖的相對(duì)延遲時(shí)間，逐點(diǎn)記錄逐點(diǎn)記錄，得到，得到時(shí)間分辨的光譜時(shí)間分辨的光譜tT鎖相放大器-微弱信號(hào)測(cè)量的有力工具 能檢測(cè)強(qiáng)背景下的弱信號(hào)Lock-in 參考頻率參

17、考頻率輸入信號(hào)輸入信號(hào)功能功能：將輸入信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換分解，并濾出含有：將輸入信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換分解，并濾出含有 參考頻率參考頻率 的成分，作為輸出信號(hào)。的成分，作為輸出信號(hào)。使用鎖相放大器，提高信號(hào)的靈敏度 通常通常泵浦泵浦-探測(cè)信號(hào)很弱探測(cè)信號(hào)很弱（三階非線性效應(yīng)），探測(cè)光強(qiáng)度的相對(duì)變化量通（三階非線性效應(yīng)），探測(cè)光強(qiáng)度的相對(duì)變化量通常在常在0.011%范圍。因而范圍。因而信號(hào)容易被探測(cè)光的強(qiáng)背景所掩蓋信號(hào)容易被探測(cè)光的強(qiáng)背景所掩蓋。 斬波器以固定頻率斬波器以固定頻率 調(diào)制泵浦脈沖調(diào)制泵浦脈沖，引起樣品吸收周期性的變化，引起樣品吸收周期性的變化，鎖相放鎖相放大器檢測(cè)出含有這個(gè)頻率的信號(hào)大

18、器檢測(cè)出含有這個(gè)頻率的信號(hào)?？煽鄢綔y(cè)光的強(qiáng)背景可扣除探測(cè)光的強(qiáng)背景，大大提高靈敏度。，大大提高靈敏度。最高可達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。最高可達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。DelayChopped pump pulse train探測(cè) pulsetrainChopperSlow detectorSampleLock-indetector斬波頻率斬波頻率 100HzDIprobeIprobe探測(cè)的精度和范圍-0.20.00.81.01.2050100150200250DTDelay Time (ps)cltDD2延遲線步長(zhǎng) Dl: 0.1mm Dt=0.667 fs 移動(dòng)0.15 mm 延遲 1 ps 延

19、遲線總長(zhǎng)度30cm 量程 2nsDelay泵浦-探測(cè)信號(hào)的實(shí)際構(gòu)成DSampleprobepumpt t r rv通常采用通常采用相同周期相同周期的兩個(gè)脈沖列來(lái)對(duì)樣品進(jìn)行激發(fā)和探測(cè)。的兩個(gè)脈沖列來(lái)對(duì)樣品進(jìn)行激發(fā)和探測(cè)。v對(duì)每個(gè)延遲時(shí)間對(duì)每個(gè)延遲時(shí)間t t，探測(cè)器在一定的積分時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)光，探測(cè)器在一定的積分時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)光強(qiáng)作平均強(qiáng)作平均,得到一個(gè)數(shù)據(jù)。得到一個(gè)數(shù)據(jù)。v不斷改變延時(shí)不斷改變延時(shí)t t，不斷作積分、平均，最終得到一條探測(cè)，不斷作積分、平均，最終得到一條探測(cè)光強(qiáng)隨延時(shí)變化的曲線。光強(qiáng)隨延時(shí)變化的曲線。v脈沖的重復(fù)率越高，信噪比越好。脈沖的重復(fù)率越高，信噪比越好。 鈦寶石激光振蕩器：鈦

20、寶石激光振蕩器：80-100MHz. (Tr 10ns) 激光放大器：激光放大器：1KHz (Tr 1ms)泵浦-探測(cè)實(shí)驗(yàn)要注意的事項(xiàng)lTprobe=Tpump，泵浦和探測(cè)，泵浦和探測(cè)脈沖序列的周期脈沖序列的周期必須在嚴(yán)格必須在嚴(yán)格一致一致。（同一激光。（同一激光系統(tǒng)產(chǎn)生：振蕩器或放大器）系統(tǒng)產(chǎn)生：振蕩器或放大器）lIprobeIpump，否則樣品對(duì)探測(cè)脈沖的吸收可能呈非線性，會(huì)對(duì)測(cè)量信，否則樣品對(duì)探測(cè)脈沖的吸收可能呈非線性，會(huì)對(duì)測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生不好的影響。（一般選號(hào)產(chǎn)生不好的影響。（一般選 強(qiáng)度比強(qiáng)度比 1：10，1：5）l樣品的能態(tài)壽命樣品的能態(tài)壽命 脈沖周期脈沖周期Tr，避免產(chǎn)生累積效應(yīng)。，

21、避免產(chǎn)生累積效應(yīng)。 （必須根據(jù)材料的特性，來(lái)選擇適當(dāng)脈沖重復(fù)率的激光系統(tǒng)）（必須根據(jù)材料的特性，來(lái)選擇適當(dāng)脈沖重復(fù)率的激光系統(tǒng)）l樣品樣品在泵浦脈沖的反復(fù)激發(fā)下在泵浦脈沖的反復(fù)激發(fā)下無(wú)損傷、形變等不可逆變化無(wú)損傷、形變等不可逆變化，性質(zhì)保持不，性質(zhì)保持不變。變。 (要注意泵浦光的強(qiáng)度要注意泵浦光的強(qiáng)度)l如果作飽和吸收，首先要確定樣品對(duì)泵浦探測(cè)脈沖有吸收。如果作飽和吸收，首先要確定樣品對(duì)泵浦探測(cè)脈沖有吸收。我的研究均勻基質(zhì)非線性玻璃新型非線性玻璃材料均勻的基質(zhì)玻璃系統(tǒng) 根據(jù)線性折射率決定非線性折射率的經(jīng)驗(yàn)，以及避免研究重復(fù)性。本人主要研究以下玻璃系統(tǒng)：TeO2Bi2O3基玻璃：lTeO2Bi2

22、O3BaOlTeO2Bi2O3TiO2Bi2O3B2O3基玻璃：lBi2O3B2O3BaOlBi2O3B2O3TiO2TeO2Bi2O3BaO玻璃系統(tǒng)CationPolarizability A3P5+0.021B3+0.002Si4+0.033Na+0.175K+0.818Mg2+0.088Ba2+1.519V5+0.123Nb5+1.035Ta5+0.975W6+0.145Mo6+0.165Pb2+3.623Sb3+1.111TeO2-Bi2O3-XaOb ?1. 助熔2. 增強(qiáng)玻璃形成3. 增加玻璃均勻性玻璃形成區(qū)020406080100020406080100020406080100

23、Bi2O3BaOTeO2 玻璃 半玻璃 陶瓷稱量10g熔融950淬火圖. TeO2-Bi2O3-BaO準(zhǔn)三元系統(tǒng)的玻璃形成區(qū)玻璃樣品的選擇350420490560630700770840910010203040506070 Absorption coefficient (cm-1)Wavelength (nm)SampleNo.Composition (mol%)Density(g/cm3)n0TeO2Bi2O3BaOTBB1-4020406080100020406080100020406080100 Bi2O3BaOTeO2TBB1TBB2TBB3TBB4圖. 研究樣品的吸收光譜TBB1 7

24、0 5 25 5.427 2.051TBB2 70 10 20 5.546 2.108TBB3 75 5 20 5.292 2.083TBB4 80 15 5 6.371 2.164SampleNo.Composition (mol%)(1018 m2/W)(1011 m/W)(3)(1012 esu)TeO2Bi2O3BaOTBB1705251.5432.5912.40TBB27010201.4881.0371.78TBB3755201.7954.1413.49TBB4801552.8722.1063.74玻璃的三階非線性參數(shù) Nonlinear refraction , nonlinear

25、 absorption coefficient , third-order nonlinear susceptibility (3)-5-4-3-2-101234 Normalized transmittanceZ/Z01.7Z0(a)-25-20-15-10-505101520250.970.980.991.001.01 (b)Normalized transmittanceZ (mm)圖. 樣品TBB4的Z掃描曲線（a）閉孔，（b）開(kāi)孔Journal of Non-Crystalline Solids, 2011, 357: 2219 TiO2相對(duì)于B

26、aO的優(yōu)點(diǎn)：l高折射率（2.6）l高配位數(shù)（4，6配位）l高機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性TeO2Bi2O3TiO2玻璃系統(tǒng)TeO2Bi2O3TiO2玻璃系統(tǒng)SampleNominalComposition (mol%)n0Eopg(eV)(m-1)TeO2Bi2O3TiO2TBT1900101.97572.876120.90TBT2855102.14892.698124.11TBT3851052.11522.715125.59TBT48010102.18082.650149.02TBT5801552.18702.641144.080.51.01.52.02.53.03.54.002468101214 Ph

27、oton energy E (eV)(aE)1/2 (cm-1eV)1/2圖. TBT玻璃的吸收光譜圖. 樣品TBT1的Tauc曲線-5-4-3-2-10123450.900.961.021.081.14Normalized transmittance Z/Z01.7Z0(a)-10-8-6-4-202468100.870.900.930.960.991.02(b) Z/Z0Normalized transmittance 0.540.550.560.570.580.5 hv/Eopgcm/GW玻璃的三階非線性參數(shù)玻璃的三階非線性參數(shù)Sample(10-1

28、8m2/W)(10-11m/W)(3)(1012 esu)TBT11.8361.4832.89TBT24.2110.7424.34TBT31.2631.3592.54TBT44.1960.5994.24TBT55.1081.0534.65圖. 樣品TBT1的Z掃描曲線（a）閉孔，（b）開(kāi)孔圖. 雙光子吸收系數(shù)與歸一化光子能量E/Eopg的變化趨勢(shì) 45%Optical Materials, 2010, 32: 868 Bi2O3B2O3基玻璃系統(tǒng)成玻性好：玻璃的Bi2O3含量能夠達(dá)到90 mol%圖. Bi2O3B2O3二元玻璃相圖圖. Bi2O3B2O3二元玻璃折射率分布線性折射率高：能達(dá)到

29、2.6Bi2O3B2O3-BaO三元玻璃系統(tǒng) Ceramic GlassB2O3BaOBi2O39080706050 Opal Glass10203040(mol %)4505005506000123 Optical density /a.u.Wavelength /nm BBB4 BBB3 BBB2 BBB151015202.0662.0682.0702.0722.0742.0762.0782.080 BaO (mol%)Refractive Index n0圖. Bi2O3B2O3BaO三元玻璃形成區(qū)圖. Bi2O3B2O3BaO三元玻璃的吸收光譜圖. Bi2O3B2O3BaO三元玻璃的線

30、性折射率 Journal of Wuhan University of Technolotgy, 2010, 24(5): 716 Bi2O3B2O3-BaO玻璃的三階非線性-8-6-4-2024680.850.900.951.001.051.101.15 Nomalized transmtitanceZ/Z0-8-6-4-2024680.850.900.951.001.051.101.15 Nomalized transmtitanceZ/Z0+-5-4-3-2-10123450.750.800.850.900.951.001.051.101.15 Data FittingNormalize

31、d transmittanceZ/Z0由于玻璃的非線性吸收效應(yīng)非常明顯，因此可以從一個(gè)閉孔的Z掃描曲線中，分離出非線性折射部分（NR）以及非線性吸收部分（NA）。1.7 Z0NANRBi2O3B2O3-BaO玻璃的三階非線性0.660.680.700.720.740.760.00.81.01.82.0 (cm/GW)hv/EopgSample (in molar%) (10-14 cm2/W) (cm/GW)750nm800nm850nm750nm800nm850nm60Bi2O3-35B2O3-5BaO0.9740.8260.7090.5300.3061.

32、96360Bi2O3-30B2O3-10BaO1.5131.5191.1260.2640.3830.35160Bi2O3-25B2O3-15BaO7.2003.3131.7830.1700.4480.657圖. 雙光子吸收系數(shù)隨歸一化光子能量hv/Eopg的變化曲線 Chinese Optics Letters, 2010, 8(1): 70 45678910111213141516012345678910 BaO (mol%)10-13 esu 800nm 850nm圖. 在800和850nm波長(zhǎng)下(3)值與BaO含量的變化 Bi2O3B2O3-TiO2三元玻璃系統(tǒng) Bi2O3B2O3TiO

33、2圖. Bi2O3B2O3TiO2三元玻璃形成區(qū)圖. 70Bi2O320B2O310TiO2(mol%)玻璃照片Bi2O3B2O3-TiO2三元玻璃系統(tǒng)Sample (mol%)Density /gcm-3n0 Eopg /eV/10-14cm2W-1 /cmGW-1(3) /10-12esuNo.Bi2O3B2O3TiO2BBT1702556.9662.13522.2032.3021.2080.664BBT27020107.0122.16982.1565.0501.4391.505BBT37015157.1842.20792.1238.8532.8252.731450500550600650

34、7000.00.51.01.52.02.53.0 Absorption indentity (A. U.)Wavelength /nm BBT1 BBT2 BBT3-30-20-1001020300.91.0 Normalized transmittanceZ /mm圖. 玻璃樣品BBT3的閉孔Z掃描曲線 圖. 玻璃樣品可見(jiàn)波段的吸收光譜 Physica B, 2009, 404: 2012 19%與國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果的對(duì)比Sample compositond(g/cm3) 0.001n0 0.001Eopg(eV) 5%(1018 m2/W) 30%(1011

35、 m/W) 30%(3)(1012 esu) 40%80TeO2-15Bi2O3-5BaO 6.3712.1642.9562.8722.1063.7480TeO2-15Bi2O3-5TiO22.18702.6415.1081.05360Bi2O325B2O315BaO6.5552.0782.1473.3130.4480.9170Bi2O3-15B2O3-15TiO27.1842.20792.1238.8532.8252.73176TeO220Nb2O54BaO12.0722.711.722.9570TeO210Bi2O320ZnO26.1602.1452.630.590.6690GeS25Ga

36、2S35CdS32.122.703.51.085GeS211Ga2S34CsI43.062.1602.5763.11.452.7970Bi2O315ZnO10Li2O5BaO58.3582.321.6425Bi2O3-37.5B2O3-37.5ZnO 61.910.2946PbO-10Ga2O3-42.6Bi2O3-1.4BaO72.31.670TeO2-20ZnO-5Na2O-5Nb2O580.35360TeO2-40PbO92.212.839.1TeO2102.4523.72.7665.1205.351T. Hayakawa, M. Hayakawa, M. Nogami and P. T

37、homas, Optical Materials 32 (2010), p. 448.2E. Yousef, M. Hotzel and C. Rssel, Journal of Non-Crystalline Solids 353 (2007), p. 333.3X. F. Wang, Z. W. Wang, J. G. Yu, C. L. Liu, X. J. Zhao and Q. H. Gong, Chemical Physics Letters 399 (2004), p. 230.4D. Marchese, M. De Sario, A. Jha, A. K. Kar and E.

38、 C. Smith, J. Opt. Soc. Am. B 15 (1998), p. 2361.5H. Nasu, T. Ito, H. Hase, J. Matsuoka and K. Kamiya, Journal of Non-Crystalline Solids 204 (1996), p. 78.6A. S. L. Gomes, E. L. F. Filho, C. B. de Araujo, J. Appl. Phys. 2007, 101: 033115-033117. 7C. B. de Araujo, E. L. Falcao-Filho, A. Humeau, Appl.

39、 Phys. Lett. 2005, 87: 221904-221903.8F. E. P. dos Santos, F. C. Favero, A. S. L. Gomes, J. Appl. Phys. 2009, 105: 024512-024514. 9V. K. Rai, L. de S. Menezes and C. B. de Arajo. Appl. Phys. A: Mater. 2008, 91: 441-443. 10Y. Watanabe, M. Ohnishi, T. Tsuchiya, N. Ueda and H. Kawazoe, Journal of Appli

40、ed Physics 78 (1995), p. 5840.量子點(diǎn)摻雜非線性玻璃均勻基質(zhì)非線性玻璃新型非線性玻璃材料 Bi2O3B2O3TiO22323260Bi O -30B O -10TiO (mol%)150300450600750900440450460470480490 Tx390395400405410 ENDO Temperture (oC)TgTcTmEXOBest treating temperture TBi2O3B2O3TiO2微晶玻璃圖. Bi2O3-B2O3-TiO2玻璃的形成區(qū)圖. 60Bi2O3-30B2O3-10TiO2玻璃的DTA曲線(a)(b)(311)(2

41、20)(200)Counts (arb. units) (111)(c)243036424854602degrees Bi2O3圖. 熱處理前后玻璃的XRD圖譜以及參考的PDF卡片，(a) 基質(zhì)玻璃，(b) 7小時(shí)，(c) 9小時(shí)熱處理樣品202530354010002000300040005000600070008000 Intensity2 (degrees)(a)圖. 基質(zhì)玻璃及玻璃陶瓷的實(shí)物圖（從左到右依次為：基質(zhì)，處理6小時(shí)，7小時(shí)，8小時(shí)以及9小時(shí)樣品） 圖. 基質(zhì)玻璃在2040o范圍內(nèi)的高分辨率XRD圖譜 500550600650700750800850020406080 Tra

42、nsmittance (%)Wavelength (nm) TGC2 TGC1 Host glass-25-20-15-10-505101520250.00.81.01.82.02.2Z (mm)Normalized transmittance TGC0 TGC2(a) -25-20-15-10-505101520250.81.01.8(b)Normalized transmittanceZ (mm) TGC2 TGC0圖. 樣品TGC0和TGC2的閉孔（a）和開(kāi)孔（b）的Z掃描曲線 Samples (10-17m2/W) (10-11m/

43、W)(3) (10-11 esu)TGC0-1.64-1.672.12TGC2-2.14-5.532.75圖. 基質(zhì)玻璃樣品，處理6小時(shí)和7小時(shí)樣品的透過(guò)光譜 Journal of Non-Crystalline Solids, 2010, 256: 2786 350700105014001750210024500.00.51.01.52.02.53.03.5 Absorbance (a.u.)Wavelength (nm) Host 0.2wt% AgCl 0.6wt% AgCl 1wt% AgCl 5wt% AgCl吸收峰為Ag量子點(diǎn)的表 面 等 離 子 諧 振 峰（Surface Pla

44、smon Resonance: SPR）即電子在金屬顆粒表面引起振動(dòng)的吸收峰。AgCl摻雜的Bi2O3-B2O3-SiO2玻璃Ag+/Ag0, E0=0.7996 VBi0/Bi3+, E0=-0.3172 VAg+ + Bi0 Ag0 + Bi3+圖. AgCl摻雜的Bi2O3-B2O3-SiO2玻璃的吸收光譜Materials Research Bulletin, 2010, 45: 1501 AgCl摻雜的Bi2O3-B2O3-SiO2玻璃掃描電鏡照片1. 基質(zhì)玻璃的SEM照片2. 0.2 wt% AgCl 摻雜玻璃的SEM照片3. 5 wt% AgCl 摻雜玻璃的SEM照片132AgC

45、l摻雜的Bi2O3-B2O3-SiO2玻璃的能譜0481216050010001500200025003000 BiBiAgCPSEnergy (keV)BOAlSiBi圖. 5 wt% AgCl 摻雜玻璃的能譜分布圖證明玻璃中的確有銀的存在AgCl摻雜的Bi2O3-B2O3-SiO2玻璃的能譜分析B: 10.91 wt%C: 4.6 wt%O:10.01 wt%Al: 3.06 wt%Si: 1.18 wt%Ag: 1.60 wt%Bi: 68.63 wt%B: 10.21 wt%C: 5.37 wt%O:10.35 wt%Al: 3.91 wt%Si: 1.07 wt%Ag: 0.9 wt

46、%Bi: 69.19 wt%AgCl摻雜的Bi2O3-B2O3-SiO2玻璃的透射電鏡照片圖. 0.2 wt% AgCl 摻雜玻璃的TEM（透射電鏡）照片0.3325 nmSilver-4H晶相（003）晶面（JCPDS-870598）圖. 銀納米顆粒的高分辨率TEM照片納米銀顆粒與AgCl含量的關(guān)系F2maxA2 c/vr Dr的值只與 SPR吸收峰的半高寬（ FWHM） 和峰值波長(zhǎng)max有關(guān)。銀顆粒的平均半徑r：0123451.01.52.02.53.03.5 Average size r (nm)AgCl concentration (wt%)圖. 銀顆粒的平均半徑r與AgCl濃度的關(guān)系-10-8-6-4-2024681001234567-6-3036 1.7Z0 Host 0.2wt% 0.6wt% 1.0wt% 5.0wt% Z/Z0Normalized transimittance納米銀顆粒玻璃的Z掃描曲線以及非線性參數(shù)-20-15-10-5051015200.900.920.940.960.981.001.02Normalized transimittance The hostZ/Z0 0.2 wt% AgCl 1 wt% AgCl樣品樣品 (10-18 m2/W) (10-11 m/W) (3) (10-12 esu)T= / Host1.0