浅议z—scan法在探究非线性光学材料中应用与经验

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1、浅议Z—scan法在探究非线性光学材料中应用与经验【摘要】利用波长为532nm的纳秒激光脉冲，通过Z-scan技术研究了Fe304纳米粒子在不同光强下的非线性吸收特性，随着光强的增加，开孔Z-scan由饱和吸收为主转为反饱和吸收为主，在高光强下，表现出了优良的光限幅性质。分析结果表明，Fe304纳米粒子的限幅机制主要是由于非线性散射引起的。【关键词】非线性光学光限幅Fe304纳米粒子1非线性光学材料在激光防护领域的应用及发展随着激光技术的日益发展，例如激光武器、激光手术、激光切割等的应用，激光在生产生活中的应用日益广泛，而由于激光辐射能对人眼、皮肤造成伤害，激

2、光的使用安全与防护日益受到人们的重视。目前已有商品化的激光防护器件投入应用，这些器件在原理上多是基于线性光学的的反射、衍射、吸收等研制成的，只在有限的条件下，能对激光起到防护效果，但是这些器件在高能量激光防护领域存在着很大的缺陷。而利用材料非线性光学效应，实现激光限幅，成为制备激光防护器件的主要方向［1］。非线性光学材料的激光限幅原理，大致上可以分为：（1）非线性折射引起的激光限幅［2］,非线性折射主要包括光折变、自散焦和自聚焦等。（2）非线性吸收引起的光限幅，据此机理的光限幅是目前非线性光学领域研究最多的领域，包括激发态吸收(反饱和吸收)和双光子吸收，基于非

3、线性吸收机理的光限幅器件具有结构简单等优点，但是限幅作用的波长范围较窄［3］。(3)非线性散射作用引起的光限幅。非线性散射主要是因为两种线性折射率匹配而非线性折射率不同的两种介质，在光强度低的弱辐射入射时，非线性折射率不起主导作用，介质是光学均匀的，入射光的透过率高。而当光强度增加，非线性折射率起主导作用时，介质对于强辐射是光学不均匀的，会对入射光强烈散射，导致入射光透过率大幅降低，起到强光限幅作用。同时对于非线性散射主导的激光限幅，两种介质间的线性折射率越匹配，可见光区的线性透过率越高，而非线性折射率相差越大，材料对强辐射的限幅作用越强。通常非线性散射介质是

4、由微粒和液体所构成的悬浮液，也可是两种固体混合物构成的固态介质。目前研究的光限幅材料主要有有机三阶非线性光学材料［4］、半导体材料［5］、无机金属团簇和纳米粒子［6］等。其中有机化合物离域“电子的极化率高，具有更大的非线性光学系数，化合物共辄链的延长可以增大其三阶非线性光学系数，可通过化学手段改变化合物结构以调节材料的非线性光学系数，这些优点使有机三阶非线性光学材料的研究成为一大热点［7］,而有机化合物的制备通常面临着反应周期长、产率低、难提纯等挑战。而纳米材料作为非线性光限幅材料，由于其易制备、产率高、易修饰等优点，获得了越来越多的关注。通常纳米材料，如金属

5、纳米粒子［8］,半导体纳米粒子及碳纳米材料［9］等，其限幅机理主要是以非线性散射为主。同时以高分子聚合物为基质材料，通过掺入复合,将纳米粒子溶于聚合物溶液中，常用的聚合物如PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）具有很好的透明性、与客体分子相容性好，且在一般情况下与材料分子无强相互作用，既可以有效的防止纳米粒子的聚沉，又具有很好的应用前景［10］,［11］。非线性介质的非线性光学测定方法主要有简并四波混频、克尔效应法、非线性干涉和Z-scan［12］等。其中单光束Z-scan法由于测量灵敏度高，测试系统搭建简单，在目前研究材料的非线性光学性质，特别在材料非线性折射率和非线

6、性吸收等的测量中有着广泛的应用［13］oZ-scan技术是1989年，由M.Scheik-Bahae等人提出的，在光束畸变测量方法的基础上，基于波形空间失真原理发展的Z-scan技术，采用单光束测量，测试系统结构简单且灵敏度高，可以同时应用于非线性折射率和非线性吸收的测量。本文中，我们利用单光束Z-scan法研究磁性Fe304纳米颗粒非线性光学性质,通过改变入射光强能量研究了磁性Fe304纳米颗粒的光限幅性质。2实验部分（1）实验原料：FeC13・6H20（分析纯），FeC12・4II20（分析纯），柠檬酸钠（分析纯）天津市光复发展有限公司。（2）Fe304纳

7、米粒子的合成：我们利用共沉淀法合成了具有磁性的Fe304纳米粒子[14],具体方法如下：将称取5.4gFeC13・6H20和2.3gFeC12•4H20（摩尔比为2：1）,溶于60mL超纯水后，加入三口瓶中搅拌。搅拌均匀后升温至70°C,在Ar保护下恒温反应30min后，快速加入30mLNH3・H20,此时有大量黑色沉淀生成，同时剧烈搅拌，恒温加热30min后，加入3.18g柠檬酸钠，继续升温至90°C,反应60min后结束反应。得到的Fe304纳米粒子用去离子水洗涤至中性，沉淀离心后在真空干燥箱中干燥备用。3Z-scan设备及光谱的测量Z-scan法因在测量

8、材料的非线性光学系数时，具有光路简单和