材料的表面特性与有机材料的光学性质研究

摘要

本文利用飞秒激光、结合双光子光电能谱方法对Cu(111)和Cu(775)表面进行了探测，对激光作用于中心对称半导体表面时的面极化极化张量及体极化张量进行了分析，研究了掺杂乙基红(Ethyl Red)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜在全光开关方面的应用。本研究主要内容包括：
　　 ⑴利用双光子光电能谱(two-photon photoemission(2PPE))方法在光子能量为3.4-5 eV的范围内,对Cu(111)及邻近Cu(111)晶面的Cu(775)晶面两个样品系统进行了研究。利用飞秒激光的激发时间与电子在镜像态上的存在寿命具有可比性,通过调节光子的能量来探测共振激发时电子的能谱曲线(EDC)。我们在Cu(775)面探测到了一个新的、之前研究中未被发现的中间电子态。
　　 ⑵利用角度分辨、可调谐的双光子光电能谱方法去描绘单晶铜的一个空闲体态,这个空闲体态是指位于真空能级下0-1 eV范围内、在L点附近的sp-能带。使用比较强的泵浦源,在实验中我们成功地观察到存在寿命较短的体态。在实验中所观测到的跃迁能量、以及该体态随光子能量hω的分布与紧束缚带结构模型(Tight-Binding Band-Strcture Model)的计算结果吻合较好。双光子跃迁的末态能量随激发光子能量hω变化的比例系数为～1.64,不同于之前观测到的铜的n=1和n=2的二维分布的(2D)镜像态能量随激发光子能量hω变化的情况,其比例系数分别为1和2。
　　 ⑶当激光入射到非线性介质时,在界面处的反射光中会产生二次谐波。我们利用m3m和432晶系中心对称晶体的对称特性,在横模激光和纵模激光泵浦非线性介质的情况下,对其(001)及(111)晶面的面极化率张量及体极化率张量的表现形式进行了计算。通过对计算结果的分析并比较这两个平面反射的二次谐波s偏振的各向异性分量的振幅,而把晶面(111)表面对反射二次谐波的贡献分析出来的可能性,这是在相关方面研究中首次对纵模激光场在非线性介质表面导致的极化率张量的分量情况进行的研究分析。
　　 ⑷测量了在氦镉激光(441.6 nm,CW)和半导体激光(532 nm,CW)照射下乙基红掺杂PMMA薄膜的吸收光谱,并且利用克拉默斯-克勒尼希关系(Kramers-Kronig relation,简称k-k变换)对532纳米激光激发样品时的折射率变化进行了模拟。研究了氦镉连续激光(He-Cd)和532纳米的半导体连续激光对乙基红掺杂PMMA薄膜的透射强度的双光束调制。研究表明,乙基红掺杂PMMA薄膜在全光开关方面有潜在的应用价值。
　　 ⑸以乙基红掺杂PMMA薄膜为样品,经斩波调制的半导体激光(532 nm,CW)作为控制光束并以线偏振氦氖激光(632.8nm,CW)作为探测光,测量了在不同功率和不同调制频率的控制光作用下聚合物薄膜样品的全光开关特性,分析了薄膜样品的掺杂浓度和溶剂对全光开关效应的影响。实验结果表明,在室温条件下,利用光功率为8毫瓦和周期为0.66毫秒的控制光,乙基红有机聚合物薄膜具有良好开关响应特性和40％以上的开关调制深度,最大的调制深度达72％；合适的掺杂浓度(2wt％～6wt％)的薄膜样品的开关特性较优,用偶极矩较大的溶剂制备的薄膜样品其全光开关效应较强,并给出了最佳调制深度与控制光功率及调制频率的关系。
　　 ⑹应用一种新的双激发光调制探测光的方法实现了对全光开关调制深度的进一步增大。由于光激发引起的分子取向重构过程的速度要比分子的热迟豫过程的速度快,所以透射光的衰减较快。由此我们可以获得响应时间较短的全光开关,使得全光开关的调制深度近似达到100％。并且,我们获得了高达2000:1的透射光的峰-谷值比率,这个特性对光存储及光显示方面的应用有重要的意义。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第一节 双光子光电能谱及镜像态的研究进展

1.1.1 光电子能谱和镜像态概述

1.1.2 双光子光电能谱及镜像态

第二节 表面二次谐波的研究概况

1.2.1 表面二次谐波的研究背景

1.2.2 表面二次谐波的研究意义及现状

第三节 有机材料光学性质的研究进展

1.3.1 有机光色材料研究的发展及现状

1.3.2 偶氮类有机材料的研究

第四节 本文的主要研究内容

第二章 利用可调谐飞秒激光系统对非平衡态进行描绘

第一节 弓l言

第二节 实验样品及实验装置

2.2.1 样品Cu(111)及Cu(775)的制备

2.2.2 双光子光电能谱方法探测样品表面电子态的实验装置

2.2.3 双光子光电效应中电子的跃迁通道分析

第三节 双光子光电能谱方法探测样品表面电子态的实验结果

2.3.1 理论分析

2.3.2 电子态描绘的实验结果

第四节 本章小结

第三章 利用双光子光电能谱方法描绘真空能级下的非平衡空闲体态

第一节 引言

3.1.1 角度分辨光电子能谱方法的发展概况

3.1.2 角度分辨光电子能谱方法探测三维体电子态的可能性分析

第二节 双光子光电能谱方法探测三维体电子态的实验准备

第三节 双光子光电能谱方法探测三维体电子态的实验结果分析

3.3.1 三维光电能谱特性分析

3.3.2 2PPE跃迁通道及逸出电子动能随光子能量()ω的变化关系

3.3.3 光电能谱信号最大值的物理本质分析

第四节 光电能谱实验结果的的理论分析

3.4.1 sp能带间跃迁的理论分析

3.4.2 末态动能KE与激发光子能量()ω间比例系数的理论分析

第五节 本章小结

第四章 中心对称半导体表面的面极化率张量及体极化率张量分析

第一节 弓l言

第二节 晶系m3m和432中反射产生的各向异性二次谐波产生的理论分析

4.2.1 横模激光泵浦非线性介质时二阶极化率张量分析

4.2.2 纵模激光泵浦非线性介质时二阶极化率张量分析

第三节 计算结果的讨论

4.3.1 横模激光泵浦非线性介质

4.3.2 纵模激光泵浦非线性介质

4.3.3 横模和纵模激光泵浦材料时所得二次极化率张量的比较

第四节 在实验中分离出表面对反射二次谐波贡献的理论分析

第五节 本章小结

第五章 乙基红的光激发吸收光谱以及双光束调制光透射特性研究

第一节 引言

第二节 乙基红样品的吸收谱

5.2.1 乙基红的分子结构及样品制备

5.2.2 没有光激发时乙基红样品的吸收谱

5.2.3 光激发时乙基红样品的吸收谱

第三节 模拟计算样品中光致折射率变系数的变化

5.3.1 k-k变换简介

5.3.2 利用吸收谱的变化及k-k变换计算样品折射率的变化

第四节 双光束的透射强度的相互调制

5.4.1 双光束相互调制的实验装置

5.4.2 激光照射乙基红样品时的透射光强

5.4.3 双光束相互调制及结果分析

第五节 本章小节

第六章 乙基红掺杂聚合物薄膜全光开光特性的研究

第一节 引言

第二节 乙基红掺杂PMMA薄膜样品制备

第三节 乙基红样品全光开关调制深度的实验研究

6.3.1 实验装置

6.3.2 实验结果及讨论

第四节 双光束激发的乙基红样品全光开关调制深度研究

6.4.1 实验装置

6.4.2 双光激发的理论分析

6.4.3 实验结果

第五节 本章小结

第七章 总结与展望

第一节 总结

第二节 展望

7.2.1 双光子光电能谱方法探测固体表面

7.2.2 光子作用下的表面非线性光学性质

7.2.3 基于非线性光学材料的全光器件研究

第三节 本章小节

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果