1、1毕业设计开题报告通信工程银表面等离子谐振引起的三阶光学非线性特性的研究一、选题的背景与意义从技术领域到研究领域，非线性光学的应用都是十分广泛的。例如利用各种非线性晶体做成电光开关和实现激光的调制；利用光学参量振荡实现激光频率的调谐；利用各种非线性光学效应，特别是共振非线性光学效应及各种瞬态相干光学效应，研究物质的高激发态及高分辨率光谱等。研究非线性光学对激光技术、光谱学的发展以及非线性全光处理技术在光通信系统中的应用等都有重要意义。非线性光学材料在光通讯、信息处理、射频分配等方面发挥着不可替代的作用。非线性光学研究是各类系统中非线性现象共同规律的一门交叉科学。目前在非线性光学的研究热点包括研
2、究及寻找新的非线性光学材料。三阶非线性光学材料由半导体、量子限域的半导体、金属颗粒、有机物和无机玻璃构成1,2。三阶非线性光学材料在高频高速光学加工技术中扮演着重要的角色。纳米颗粒一介电复合材料显示出优良的三阶非线性光学性能，是应用于未来全光器件的理想材料。其中，纳米颗粒的尺寸、浓度、组成和结构，基体的选择，测试方法中选用的激光波长和脉冲宽度等多种因素都对此类复合材料的三阶非线性光学性能有很大的影响，了解这些影响因素对材料的制备和应用具有重要的指导意义。在此基础上，研究指出贵金属纳米颗粒一复合材料具有更加优异的三阶非线性光学性能，是目前的研究热点。金属纳米颗粒3具有较小的尺寸和大的表面体积比，
3、由于量子限制效应和表面效应，表现出特殊的电子和光学性质迄今为止，研究者们已对金属颗粒4掺杂浓度较低的复合材料的性质做了大量研究，而掺杂浓度较高的材料受到的关注较少。玻璃是非常理想的光子学材料，由于玻璃具有在大部分波段透明、较好的化学稳定性和热稳定性、较高的三阶非线性光学极化率、较快的光响应时间、易于成纤成膜、易于机械光学加工等优点，使其成为全光开关5的最佳候选材料之一，受到了研究者的普遍关注。传统玻璃材料具有非常低的三阶非线性极化率，引入小的金属颗粒后可以大大增强三阶光学非2线性6，金属颗粒的表面等离子体共振可以导致非线性的增强。非线性光学玻璃由于与现有的光纤系统具有相容性和较快的响应速度，因
4、而引起人们的极大兴趣。目前的研究工作集中于各种不同的玻璃系统7,8，可利用不同的非线性机制来提高非线性性能。随着全光信息处理和光计算机研究的发展，三阶非线性光学玻璃的研究已成为近年来光电子技术领域中最引人注目的研究课题之一。目前三阶非线性光学玻璃的研究方向是寻求非线性光学性能、响应时间、化学稳定性、热稳定性、光学损耗、加工特性及材料成本等诸因素的最佳结合点。纳米金属颗粒掺杂玻璃和传统的金属复合材料相比，无论在强度比、模量比、耐磨性、导电、导热性能等均有大幅度提高，纳米金属颗粒掺杂玻璃具有极其广泛的应用前景。其主要制备9方法有熔融淬冷法、离子注入法、离子交换法、溅射沉积法、溶胶凝胶法、脉冲激光沉
5、积、光辐射、还原气氛处理、和离子辐射。下面对几种常用的制备方法做简单介绍。熔融淬冷法熔融淬冷法也称共熔法，是将基础玻璃料与掺杂物混合一般同时引入还原剂，如SB2O3，SNO等，干燥后高温熔融，再冷却成形或先熔制基础玻璃后再粉碎，与掺杂物混合，高温熔融后淬火，最后进行热处理。通过调节热处理的温度和时间来控制析出纳米颗粒的尺寸及分布。离子注入法在玻璃表面进行离子注入，通过选择注入离子种类、剂量、能量、基质温度和后续热处理温度等参数来控制纳米颗粒在玻璃表面和近表面层析出。离子交换法离子交换法主要是通过低共熔盐的不同离子在还原气氛下退火使金属离子还原，通过热处理使金属原子聚集长大，纳米金属颗粒在玻璃与
6、低共熔盐的界面及近表面层析出。溅射沉积法将金属或半导体掺入玻璃基体原料中做成靶材或将金属或半导体放在基体玻璃上共同溅射后高温退火可制得纳米金、银等颗粒掺杂玻璃。溶胶凝胶法溶胶凝胶法通常将半导体颗粒原料或金属盐直接引入溶胶，制成干胶后进行热处理析出纳米颗粒。脉冲激光沉积该法是通过热、激光、电子束照射含金属或半导体掺杂物的玻璃原料做成的靶材，使之在基板上沉积成掺杂金属或半导体纳米颗粒的玻璃薄膜。3光辐射法该方法是先熔制出掺杂了功能金属离子的玻璃，通过光的作用使金属离子还原，提供电子的源可为共掺的离子或玻璃基体中的活性侧位，然后在一定的温度下进行热处理，金属原子扩散聚集成纳米金属颗粒，在激光聚焦照射
7、的位置产生析出。银具有很好的延展性，其导电性和传热性在所有的金属中都是最高的，且银比金便宜，易被还原。因此，对掺杂银纳米复合材料玻璃的三阶光学非线性机理的研究是十分必要的。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题研究的基本内容1、阅读文献，了解掺杂银纳米颗粒玻璃以及三阶光学非线性10,11的相关知识。2、研究表面等离子体共振引起的光学性质。3、通过查阅有关资料和分析比较，选择合适的纳米金属颗粒掺杂玻璃的制备方法，制作掺杂银纳米颗粒的玻璃。4、测试掺杂银纳米颗粒玻璃的三阶光学非线性。5、研究掺入不同浓度的银纳米颗粒对玻璃三阶光学非线性特性的影响。拟解决的主要问题1、选择折射率高、机械、化学稳定性好的
8、基质玻璃组分是一个关键，它会严重影响银纳米颗粒的大小，三阶光学非线性特性，以及化学稳定性等属性。2、在以银离子形式掺杂的情况下，金属银颗粒的浓度难以控制，浓度过高会使银离子进入玻璃网格而减小银纳米颗粒的数量，过低则会导致三阶非线性强度减小，因此寻找最佳浓度配比是一个关键。3、在制备玻璃材料过程中，高温熔融反应的机理还不够清楚，难以确定所得玻璃内部包含粒子；纳米颗粒析出所需的温度和时间难以较好控制，这就使得纳米颗粒尺寸以及分布不均匀。4、由于在熔制过程中引入了杂质、玻璃中存在着气泡或是玻璃液没有搅拌均匀以及打磨、抛光不够光滑等工艺方面的问题使得我们通常情况下制备的玻璃的光学均匀性不高，很难达到激
9、光玻璃所需的要求，因此如何改进熔制工艺，提高块状玻璃光学均匀性是一个急需解决的课题。5、在采用飞秒脉冲激光的Z扫描技术时，激光的入射波长和激光功率强度将会影响玻璃的三阶光学非线性特性，因此选取合适的激光入射波长和激光功率是另一关键点。4三、研究的方法与技术路线本课题所采用的研究方法12,13是熔融淬冷法。该方法工艺简单，成本低廉，可制备大尺寸和各种形状的玻璃材料，具有很强的实用性。基于其简便及实用，而被实验室广泛采用。对纳米金属颗粒掺杂玻璃的光学特性的测试，尤其是三阶非线性光学14特性，主要是采用飞秒脉冲激光技术的Z扫描。飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间非常短，只有几百个飞秒，它比
10、利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍。同时，它能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域，使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。飞秒激光具有快速和高分辨率特性，在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中得到了广泛应用。在飞秒激光的照射下，材料能够在极短时间内接受大量的能量，而使其电子外层发生畸变而产生出强烈的非线性效应，因此采用飞秒激光的Z扫描技术已经得到广泛的运用，其原理图如下所示图1飞秒脉冲激光技术的Z扫描原理图在紧聚焦配置下，采用高斯光束入射，改变样品在光轴Z轴上的位置，在远场测量通过一个位于光轴上的有限孔径A的透射率T，得到TZ函数曲线即Z扫描曲线，它光路简单，采用的
11、是单光束，测量的灵敏度高，可以同时测量非线性折射率和非线性吸收饱和吸收和反饱和吸收）。四、研究的总体安排与进度1、2010年11月2010年12月选题，搜集资料2、2010年12月2011年1月阅读文献，写开题报告3、2011年2月20011年3月翻译文献4、2011年3月2011年4月根据要求制作玻璃，通过实验得到掺杂银纳米颗粒玻璃样品的实验数据，并对其光学特性进行测试5、2011年4月2011年5月撰写论文5五、主要参考文献1TIEFENGXU,FEIFEICHEN,XIANGSHEN,SHIXUNDAI,QIUHUANIE,XUNSIWANGOBSERVATIONOFSURFACEPLA
12、SMONRESONANCEOFSILVERPARTICLESANDENHANCEDTHIRDORDEROPTICALNONLINEARITIESINAGCLDOPEDBI2O3B2O3SIO2TERNARYGLASSESJMATERIALSRESEARCHBULLETIN,2010,45150115052LITTYIRIMPAN,VPNNAMPOORI,PRADHAKRISHNANSPECTRALANDNONLINEAROPTICALCHARACTERISTICSOFNANOCOMPOSITESOFZNOAGJCHEMICALPHYSICSLETTERS,2008,4552652693杨修春，
13、董志伟,李志会，等银纳米颗粒一玻璃复合薄膜的三阶非线性光学性能J武汉理工大学学报，2007，2913053084游冠军,周鹏,张春峰,刘烨,钱士雄AGBI203纳米颗粒复合薄膜的三阶光学非线性和超快电子动力学研究J量子电子学报,2004,2111191215齐济，许英梅，宁桂玲，王承遇玻璃光学碱度与三阶非线性光学极化率J材料导报，2010,24448516杨修春，李志会，李伟捷，杜天伦，黄文品银纳米颗粒一玻璃复合材料的光学性能J功能材料与器件学报,2007,1365535557李博芳，林健，井冲，等AGCL纳米晶掺杂铌碲酸盐系统非线性光学玻璃材料研究J功能材料，2006，371117038陈飞
14、飞,徐铁峰,戴世勋,聂秋华,沈祥,王训四重金属氧化物玻璃中双光子吸收的研究J无机材料学报,2010,2532892929曾惠丹，邱建荣，干福熹纳米功能颗粒掺杂玻璃的制备及光学特性J硅酸盐学报，2003,311097497510苗润才，等飞秒光脉冲Z扫描技术测量纳米银颗粒非线性折射率J光子学报,1999,28540140311许静仙，赵颖，杨修春纳米颗粒一介电复合材料三阶光学非线性的研究进展J材料导报,2009,237888912向卫东三阶非线性光学玻璃材料的研究进展J硅酸盐学报，2007,35S114915613陈利娟,李省,张平余，吴志中,等银纳米材料制备的新方法及其表征J河南大学学报自然科
15、学版,2006,361172014任军江,黄文量非线性光学玻璃研究进展J建筑材料学报,2000,3435535967毕业设计文献综述通信工程银表面等离子谐振引起的三阶光学非线性特性的研究摘要非线性光学材料在光通讯、信息处理、射频分配等方面发挥着不可替代的作用。非线性光学研究是各类系统中非线性现象共同规律的一门交叉科学。纳米颗粒一介电复合材料显示出优良的三阶非线性光学性能，是应用于未来全光器件的理想材料。本论文系统研究银纳米颗粒的尺寸、浓度、组成和结构，及其基体的选择，采用热熔法制备玻璃样品，并利用飞秒脉冲激光的Z扫描技术测试材料的三阶光学非线性特性，并解释非线性性能增强的机理。关键字纳米颗粒；
16、三阶非线性光学；Z扫描一、引言非线性光学是现代光学的一个分支，研究介质在强相干光作用下产生的非线性现象及其应用。无论是从技术领域还是研究领域，非线性光学的应用都是十分广泛的。例如利用各种非线性晶体做成电光开关和实现激光的调制；利用光学参量振荡实现激光频率的调谐；利用各种非线性光学效应，特别是共振非线性光学效应及各种瞬态相干光学效应，研究物质的高激发态及高分辨率光谱等。目前在非线性光学的研究热点包括研究及寻找新的非线性光学材料。玻璃是非常理想的光子学材料，由于玻璃具有在大部分波段透明、较好的化学稳定性和热稳定性、较高的三阶非线性光学极化率、较快的光响应时间、易于成纤成膜、易于机械光学加工等优点，
17、使其成为全光开关的最佳候选材料之一，受到了研究者的普遍关注。纳米功能颗粒掺杂玻璃是指纳米功能颗粒与玻璃之间通过相的复合，从而获得的具有一系列特殊功能的复合玻璃材料，透明性、热或光化学稳定性好，并具有无定形结构，能容纳不同晶格常数的纳米尺度量子点而产生较少界面缺陷，是比较理想的基体材料。掺杂银纳米颗粒玻璃有很大的三阶光学非线性，且具有快的光响应速度等特性，在光计算、光通讯、光信息处理和电光效应的器件方面具有很重要的应用前景，是当前国际光学功8能材料研究的热点之一。本论文将主要对BI2O3B2O3SIO2系重金属氧化物玻璃系统的三阶非线性进行详细的研究和讨论，以期对光学非线性机制有进一步深入了解。
18、二、背景11非线性光学非线性光学是现代光学的一个分支，无论从技术领域还是从研究领域，非线性光学的应用都是十分广泛的。非线性光学效应在光通讯中的应用尤其引人注意。由于激光技术的出现，通过非线性光学效应获得的相干光的频带极其宽广，使其在通讯技术中由原来的微波电缆同时传送几十万路，到现在利用激光通讯的光缆可同时传送数百万路电话或几千万套电视节目，解决了无线电通讯的容量小、频带过分拥挤的难题。研究非线性光学对激光技术、光谱学的发展以及物质结构分析等都有重要意义。非线性光学研究是各类系统中非线性现象共同规律的一门交叉科学。12金属纳米复合材料的研究现状金属纳米颗粒具有较小的尺寸和大的表面体积比，由于量子
19、限制效应和表面效应，表现出特殊的电子和光学性质1,2。金属纳米复合材料是由纳米级的金属或非金属粒子均匀地弥散在金属及合金基体中而成，和传统的金属复合材料相比，无论在强度比、模量比、耐磨性、导电、导热性能等均有大幅度提高。因此，金属纳米复合材料具有极大的应用前景，在军事和民用领域都已被广泛运用。金属纳米颗粒复合材料具有优异的非线性光学性能，是当前国际光学功能材料研究的热点之一3。迄今为止，研究者们已对金属颗粒掺杂浓度较低的复合材料的性质做了大量研究，而掺杂浓度较高的材料受到的关注较少。13掺杂银纳米颗粒玻璃的三阶光学非线性特性的发展趋势在纳米金属颗粒掺杂玻璃的吸收光谱中，可看到金属微粒的表面等离
20、子体谐振特征峰。银纳米颗粒掺杂玻璃有尖锐表面等离子体谐振峰4。在玻璃中掺入银纳米颗粒能提高EU3掺杂SIO2经N2激光器激发的EU3荧光发射。这是由于纳米AG表面等离子谐振5。同时，掺杂银纳米颗粒的玻璃具有大的三阶光学非线性及快的光响应速度6。非线性光学玻璃由于与现有的光纤系统具有相容性和较快的响应速度，在光通信中具有重要的应用，因而引起人们的极大兴趣。目前的研究工作集中于各种不同的玻璃系统，可利用不同的非线性机制来提高非线性性能。随着全光信息处理和光计算机研究的发展，三阶非线性光学玻璃的研究已成为近9年来光电子技术领域中最引人注目的研究课题之一。目前三阶非线性光学玻璃的研究方向是寻求非线性光
21、学性能、响应时间、化学稳定性、热稳定性、光学损耗、加工特性及材料成本等诸因素的最佳结合点。三、国内外研究现状上世纪50年代，美国BELL实验室用离子注入进行半导体的掺杂，随后就在集成电路制备和金属材料的改性方面广泛应用。60年代PRIMAK研究了离子注入在石英玻璃中形成的结构缺陷。以后ARNOLD在玻璃离子注入方面做了很多研究工作，发表了大量论文。80年代初王承遇等人开始进行了在石英玻璃、硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃及氟化物玻璃中注入N，B，P，AS，PB，CU，TA，ND，Y，ZR等离子的研究，讨论了注入后对力学、光学、电学、超导、光电子学和化学性质等方面的影响79。早期的这些研究主
22、要是基于纳米颗粒与玻璃材料掺杂的实现，对其光学性质的研究相对来说还是比较浅显。近年来，随着人们对金属纳米颗粒认识的不断深入，其在光计算、光通讯、光信息处理和电光效应的器件方面具有很重要的应用前景，是当前国际光学功能材料研究的热点之一。2006年JZHU等报道了在595NM泵浦下，通过在玻璃中掺入AU纳米颗粒发现SM3离子上转换效率得到提高。2007年XMGUO等报道了在365NM泵浦下，通过在玻璃中掺入AG纳米颗粒发现EU3离子上转换效率得到较大提高。2009年杨艳民等报道了铒激活重掺杂银硼酸盐玻璃在980NM泵浦下ER3离子15M荧光强度随AG浓度增加而增强，但到一定浓度发生淬灭现象。201
23、0年SKSINGH等报道了掺杂AG纳米颗粒碲酸盐玻璃在976NM泵浦下ER3离子绿光上转换发光强度剧烈增强。2010年LDOLGOV等报道了掺杂AG纳米颗粒玻璃在410NM泵浦下SM3离子荧光强度增强了20倍。虽然近年来掺杂金属纳米复合玻璃材料得到了国内外众多学者的重视，并开展了大量的研究工作。但大多数制备方法都比较复杂、析出纳米颗粒的尺寸及分布难以控制，制备方法简单、可用于大规模生产的制备方法迄今为止还未见报道。从国内外发展动态来看，该类复合玻璃材料在近几年得到了飞速发展，是目前科研人员研究的一个热点和焦点。但从中我们也看出还有许多方面还未进行深入研究，因此这些工作都需要我们去进一步探索。四
24、、纳米金属颗粒掺杂玻璃的制备方法纳米金属颗粒掺杂玻璃和传统的金属复合材料相比，无论在强度比、模量比、耐磨性、导电、导热性能等均有大幅度提高，纳米金属颗粒掺杂玻璃具有极其广泛的应用前景。其主要制备方法有熔融淬冷法、离子注入法、离子交换法、溅射沉积法、溶胶凝胶法、脉冲10激光沉积、光辐射、还原气氛处理、和离子辐射10,11。下面对几种常用的制备方法做简单介绍。熔融淬冷法熔融淬冷法也称共熔法，是将基础玻璃料与掺杂物混合一般同时引入还原剂，如SB2O3，SNO等，干燥后高温熔融，再冷却成形或先熔制基础玻璃后再粉碎，与掺杂物混合，高温熔融后淬火，最后进行热处理。通过调节热处理的温度和时间来控制析出纳米颗
25、粒的尺寸及分布。该方法工艺简单，成本低廉，可制备大尺寸和各种形状的玻璃材料，但需高温熔制，一般为12001500。熔融法制备时还必须注意热处理气氛。掺杂物的低溶解度和易挥发或氧化使得掺入质量分数少101104，且反应不易控制，易出现杂相。离子注入法早在70年代，离子注入法就被证实可用来制备掺杂纳米金属的介电基质复合材料。在玻璃表面进行离子注入，通过选择注入离子种类、剂量、能量、基质温度和后续热处理温度等参数来控制纳米颗粒在玻璃表面和近表面层析出。离子注入是一个非热平衡过程，可以将任何一种元素在各种温度下注入到不同基础成分的玻璃中，能克服平衡态溶解度的限制，从而获得高的掺杂浓度。通过控制离子束的
26、注入位置，可在结构上直接设计，非常适用于平面、空心波导和集成器件，但离子注入易引起玻璃分相、新相生成等物理化学过程从而产生杂相12。离子注入法受温度影响较大，且额外的高辐射损伤会引起玻璃折射率的改变。此外，由于加速离子到基质的渗透不一致，会使玻璃表面或近表面层析出的纳米金属颗粒有宽的尺寸分布。离子交换法离子交换法主要是通过低共熔盐的不同离子在还原气氛下退火使金属离子还原，通过热处理使金属原子聚集长大，纳米金属颗粒在玻璃与低共熔盐的界面及近表面层析出。此法成本低，可大规模生产，能使颗粒分布均匀，并可提高掺入量，达几个百分比，被广泛用于硅酸盐玻璃掺杂AG和CU，近年来更因适用于制作多模波导和可应用
27、于集成光器件而颇受重视。离子交换法需在TG附近长时间热处理，可引起额外应力，热处理时还需还原气氛。使用电子束辐射或高强准分子激光辐射来处理离子交换后的玻璃，通过改变沉积时电子能量和激光脉冲能量来控制纳米金属颗粒的大小，可无需长时间热处理。溅射沉积法将金属或半导体掺入玻璃基体原料中做成靶材或将金属或半导体放在基体玻璃上共同溅射后高温退火可制得纳米金、银等颗粒掺杂玻璃。此法适于多种金属或半导体化合物掺入11玻璃薄膜，且掺入量高，能控制纳米金属尺寸。磁控溅射后可通过高温退火或电子束照射来控制纳米复合材料结构。磁控溅射制备时，要注意退火气氛。溶胶凝胶法溶胶凝胶法通常将半导体颗粒原料或金属盐直接引入溶胶
28、，制成干胶后进行热处理析出纳米颗粒。微孔掺杂、表面包裹以及合理的热处理可以有效控制颗粒尺寸。该工艺合成温度低，并能用气氛保护，能制备具有特殊组成的玻璃，适用于制备薄膜材料的样品。样品成分完全可以按照其原始配方和化学计量比准确获得，并具有高的纯度和良好的均匀性。此法还具有掺杂浓度高、粒径分布窄等优点。缺点是不易形成多组分玻璃，有时还会产生其它产物。脉冲激光沉积该法是通过热、激光、电子束照射含金属或半导体掺杂物的玻璃原料做成的靶材，使之在基板上沉积成掺杂金属或半导体纳米颗粒的玻璃薄膜，如CVD，PVD，PLD，MOCVD等。WANG等通过脉冲激光沉积制得掺杂纳米CDS的石英玻璃。TAKEDA等通过
29、多源同步倾斜沉积将SIO2与ZNTE或AU掺杂剂用2个对立放置的倾斜方向沉积，然后热处理可制得平面各向异性的纳米颗粒掺杂复合玻璃。此外，通过电子束沉积与热沉积结合使用也可以制备掺杂纳米AG颗粒的SIO2薄膜。光辐射法该方法是先熔制出掺杂了功能金属离子的玻璃，通过光的作用使金属离子还原，提供电子的源可为共掺的离子或玻璃基体中的活性侧位，然后在一定的温度下进行热处理，金属原子扩散聚集成纳米金属颗粒，在激光聚焦照射的位置产生析出。五、飞秒脉冲激光Z扫描技术对纳米金属颗粒掺杂玻璃的光学特性的测试，尤其是三阶非线性光学特性，主要是采用飞秒脉冲激光技术的Z扫描1315。飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，
30、持续时间非常短，只有几百个飞秒，它比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍。同时，它能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域，使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。飞秒激光具有快速和高分辨率特性，在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中得到了广泛应用。在飞秒激光的照射下，材料能够在极短时间内接受大量的能量，而使其电子外层发生畸变而产生出强烈的非线性效应，因此采用飞秒激光的Z扫描技术已经得到广泛的运用，其原理图如下所示12图1飞秒脉冲激光技术的Z扫描原理图在紧聚焦配置下，采用高斯光束入射，改变样品在光轴Z轴上的位置，在远场测量通过一个位于光轴上的有限孔径A的透射率T，得到TZ
31、函数曲线即Z扫描曲线，它光路简单，采用的是单光束，测量的灵敏度高，可以同时测量非线性折射率和非线性吸收饱和吸收和反饱和吸收）。六、结论玻璃是非常理想的光子学材料，由于玻璃具有在大部分波段透明、较好的化学稳定性和热稳定性、较高的三阶非线性光学极化率、较快的光响应时间、易于成纤成膜、易于机械光学加工等优点，使其成为全光开关的最佳候选材料之一，受到了研究者的普遍关注。传统玻璃材料具有非常低的三阶非线性极化率，引入小的金属颗粒后可以大大增强三阶光学非线性，金属颗粒的表面等离子体共振可以导致非线性的增强。同时，银具有很好的延展性，其导电性和传热性在所有的金属中都是最高的，且银比金便宜，易被还原。因此，对
32、掺杂银纳米复合材料玻璃的三阶光学非线性特性进行深入研究无疑具有深远的现实意义和应用价值。参考文献1游冠军，周鹏，张春峰，刘烨，钱士雄AGBI203纳米颗粒复合薄膜的三阶光学非线性和超快电子学动力研究J量子电子学报,2004,2111191212杨海，蔡武德，覃克宇，和伟，周云华金属纳米颗粒一半导体复合薄膜材料的研究现状J云南师范大学学报,2001,21429323许静仙，赵颖，杨修春纳米颗粒一介电复合材料三阶光学非线性的研究进展J材料导报,2009,23787904SASAIJ，HIRAOKCRYSTALLIZATIONEFFECTONNONLINEAROPTICALRESPONSEOFSIL
33、ICATEGLASSANDGLASSCERAMICSCONTAININGGOIDNANOPARTICLESJJNONCRYSTSOLIDS，2001，290149565曾惠丹，邱建荣，干福熹纳米功能颗粒掺杂玻璃的制备及光学特性J硅酸盐学报，132003，31109749786TIEFENGXU,FEIFEICHEN,XIANGSHEN,SHIXUNDAI，QIUHUANIEOBSERVATIONOFSURFACEPLASMONRESONANCEOFSILVERPARTICLESANDENHANCEDTHIRDORDEROPTICALNONLINEARITIESINAGCLDOPEDBI2O3B
34、2O3SIO2TERNARYGLASSESJMATERIALSRESEARCHBULLETIN,2010,45150115057王承遇，陶瑛玻璃中离子注入J大连轻工业学院学报,1981,1141468王承遇，王渡，陶瑛玻璃中离子注入的进展J玻璃与搪瓷,1996,24426299王承遇，马腾才，等离子注入对玻璃材料的改性J大连理工大学学报，1997,37（2）15415910杨修春，李志会，李伟捷，杜天伦，黄文品银纳米颗粒一玻璃复合材料的光学性能J功能材料与器件学报,2007,13655455911杨修春，董志伟,李志会，等银纳米颗粒一玻璃复合薄膜的三阶非线性光学性能J武汉理工大学学报，2007
35、,29130530812王承遇玻璃中离子注入研究的现状与发展趋势J硅酸盐学报，2001，29545545913LITTYIRIMPAN,VPNNAMPOORI,PRADHAKRISHNANSPECTRALANDNONLINEAROPTICALCHARACTERISTICSOFNANOCOMPOSITESOFZNOAGJCHEMICALPHYSICSLETTERS,2008,45526526914戴世勋,徐铁峰,聂秋华,陈燕飞，等Z扫描方法测量70GES220SB2S310CSCL玻璃三阶非线性研究J武汉理工大学学报，2007，29252815苗润才，等飞秒光脉冲Z扫描技术测量纳米银颗粒非线性折
36、射率J光子学报，1999,28540140414本科毕业设计（20届）银表面等离子谐振引起的三阶光学非线性特性的研究15摘要【摘要】非线性光学材料在光通讯、信息处理、射频分配等方面发挥着不可替代的作用。本论文系统地研究了掺银的BI2O3B2O3SIO2三元系玻璃的三阶光学非线性特性。采用热熔法制备不同含量的BI2O3B2O3SIO2三元系玻璃样品，利用飞秒脉冲激光的Z扫描技术测试样品的三阶光学非线性特性，对样品的相关光学参数（非线性折射率和非线性吸收系数）进行分析计算，并利用ORIGIN软件描绘出归一化的非线性曲线。研究表明了基质玻璃即铋酸盐玻璃本身具有较大的三阶光学非线性特性。在掺杂了金属银
37、纳米颗粒后，其非线性折射率和非线性吸收都得到了很大提升。【关键词】BI2O3B2O3SIO2三元系玻璃；三阶光学非线性；Z扫描技术。16ABSTRACT【ABSTRACT】NONLINEAROPTICALMATERIALSPLAYEDANIRREPLACEABLEROLEINOPTICALCOMMUNICATIONS,INFORMATIONPROCESSING,RADIOFREQUENCYALLOCATIONTHISPAPERSYSTEMATICALLYSTUDIESTHIRDORDERNONLINEAROPTICALPROPERTIESTHEOFSILVERDOPEDBI2O3B2O3SIO
38、2TERNARYGLASSESPREPAREDBYFUSINGDIFFERENTCONTENTBI2O3B2O3SIO2TERNARYGLASSESSAMPLES,ANDUSINGZSCANFEMTOSECONDLASERTECHNOLOGYTESTTHIRDORDERNONLINEAROPTICALPROPERTIESOFSAMPLES,ATTHESAMETIMETHEOPTICALPARAMETERSOFSAMPLESNONLINEARREFRACTIVEINDEXANDNONLINEARABSORPTIONCOEFFICIENTSFORANALYSISANDCALCULATION,AND
39、USINGORIGINSOFTWAREDEPICTSTHENORMALIZEDNONLINEARCURVEINVESTIGATIONSHOWSTHATBISMUTHGLASSESHAVELARGETHIRDORDERNONLINEAROPTICALPROPERTIESINTHEMSELVESNONLINEARREFRACTIVEINDEXANDNONLINEARABSORPTIONOFBISMUTHGLASSESEMBEDDEDWITHAGNANOPARTICLESHAVEBEENGREATLYIMPROVED【KEYWORDS】BI2O3B2O3SIO2TERNARYGLASSES；THIR
40、DORDEROPTICALNONLINEARITY；ZSCAN。17目录摘要15ABSTRACT16目录171绪论1911非线性光学19111非线性光学效应19112非线性光学的应用2012非线性光学材料20121非线性光学材料的应用与研究20122三阶非线性光学材料2113三阶非线性光学玻璃的研究22131重金属氧化物玻璃22132掺银纳米颗粒玻璃2314玻璃样品的制备2315本论文的研究工作25151研究内容25152拟解决的问题2516本课题研究的目的及意义252理论基础2721非线性光学理论2722三阶非线性光学参数27221非线性折射率27222非线性吸收2823Z扫描理论28231
41、Z扫描测量原理29232Z扫描理论分析29233Z扫描实验平台3224高斯激光Z扫描3325开孔Z扫描3526闭孔Z扫描353BI2O3B2O3SIO2三元系玻璃的三阶非线性光学特性的研究3631引言3632实验36321玻璃组分的选择3618322玻璃样品的制备3833测试样品39331吸收光谱的测量39332非线性折射率的测量40333非线性吸收的测量4234分析计算43341非线性折射率43342非线性吸收率4735本章小结514结论53参考文献55致谢错误未定义书签。附录错误未定义书签。1绪论11非线性光学在现代光学领域中，非线性光学是其中一个分支，它研究的是在强相干光作用下介质产生的
42、非线性现象及其应用。以前的光学理论认为，介质的极化强度与入射光波的场强成正比。非线性效应的产生是由于在很强的激光下，光波的电场强度增加，当它与原子内部的库仑场强相一致时，光与介质的相互作用引起的，研究指出反映介质性质的物理量不仅与场强E的一次方有关，而且还与E的更高次方有关。介质极化率P与场强的关系1可写成12233PEEE非线性光学理论是在激光出现后没几年产生的，这是由于激光出现后，人们观察到许多新效应，这些新效应用过去的光学理论无法解释，为了说明这些新效应产生机制，因此就出现了非线性光学理论。许多有关光学方面的实验证实，频率单一的光通过透明的介质后，其频率不会发生任何改变，频率不同的光之间
43、不会发生相互耦合作用。光在介质中的传播过程是光与物质相互作用的过程，包括介质的辐射过程和介质对光的响应过程。若介质对光的响应是线性关系，那么它的光学现象为线性光学的领域；反之，则为非线性光学领域。对于非线性的研究来说,其历史非常久，它开始于力学系统2，在激光发明以后产生了光的非线性研究领域,因此,光的非线性研究领域相对要晚一些。不久之后，有关于光与物质的相互作用的研究成为一个较热的方向，从而推动了源技术及材料科学的发展。111非线性光学效应非线性光学是非线性物理学的一个分支，它是描述激光与物质发生相互作用产生非线性效应的科学。非线性物理学包含以下几个领域非线性力学，非线性声学，非线性热学，非线
44、性电子学，以及非线性光学等。20世纪60年代初人类发现了激光，从此诞生了现代光学。古老的传统光学，是基于自发辐射普通光源的光学，属于线性光学范畴；而现代光学，是基于受激辐射激光光源的光学，属于非线性光学范畴。非线性光学效应一般有两种主动型非线性光学效应和被动型非线性光学效应。非线性光学效应在光通讯领域具有重要的应用。在激光出现之前，研究者获得的相干光的频带比较窄，而激光技术出现后，通过应用非线性光学效应，由此获得的频带就变得极其宽广，使其在通讯技术中由原来的微波电缆仅仅传送几十万路电话，到现在利用激光通讯的光缆可同时传送数几百万路或几千万套电视节目，解决了无线电通讯领域中频带过分拥挤以及容量较
45、小的难题。三阶非线性光学效应主要包括三次谐波发生、相位共轭光和光KERR效应等，一般可以分为共振和非共振机制3。112非线性光学的应用非线性光学的应用是十分广泛的,例如从技术领域来看,非线性光学的应用包括利用各种非线性晶体做成电光开关和实现激光的调制、利用光学参量振荡实现激光频率的调谐等；从研究领域来看，可利用各种非线性光学效应，研究物质的高分辨率光谱及高激发态等。非线性光学效应在光通讯领域中的应用尤其引人注意。它拓宽了相干光频带，解决了无线电通讯领域中频带过分拥挤以及容量较小的难题，加速了信息传输速率，降低了损耗率，有效解决传输速率慢，损耗大的问题，为光通讯的进一步发展奠定基础。因此研究非线
46、性光学具有重要的意义。12非线性光学材料非线性光学材料就是那些光学性质依赖于入射光强度的材料，非线性光学性质也被称为强光作用下的光学性质。近年来由于光通讯以及光信息处理的飞速发展，使社会进入了信息高速时代，随着光纤、光缆的高速发展，由它们组成的通讯网络也迎来了信息化。现今，对光信号的处理以及光子信号的切换和转向仍旧是采用将其转变为电信号的方法来完成的，这大大降低了传输速度，并且增加了损耗，从而阻碍了现代光通讯的发展，制约了通讯领域的进一步发展。解决此问题的关键是直接对光信号进行切换和处理，而这里就用到了全光学装置，也就是实现全光处理。非线性光学材料所做成的开关具有快速、宽频、电场无法感应等优点
47、，成为全光开关的理想候选。121非线性光学材料的应用与研究非线性光学材料的应用总结起来可以概括为以下两点首先是进行信号处理，如分析计算、信息处理；其次是进行光波频率的转换，以达到拓宽激光波长的范围的目的。非线性光学材料主要有纳米复合材料、等离子体、半导体材料、有机高分子材料、电光晶体、光折变材料、液晶材料、团簇材料（C60等）、手性分子材料等。同时，非线性光学晶体广泛应用于激光频率转换、四波混频、光束转向、图象放大、光信息处理、光存储、光纤通讯、水下通讯、激光对抗及核聚变等研究领域。非线性光学材料的应用十分广泛。随着以光子学为中心的信息时代的到来，具有特殊信息处理功能的超快响应的光电材料成为未
48、来信息材料发展的主体。在光电子技术的发展中非线性光学起到了关键的作用，有机非线性材料在全光开关、激光仪器、激光测距、光通信及光信息存储等领域有着较大的应用潜力。随着皮秒和飞秒等超快、高功率激光器的出现，非线性光学材料的研究也越来越活跃。目前非线性光学材料的研究主要集中在晶体非线性光学材料、玻璃非线性光学材料、半导体非线性材料、有机化合物和高聚合物非线性光学材料、金属有机非线性光学材料。随着光通信的不断发展，光电信息时代的到来，光信号处理等对材料的光学特性提出了较为实际的要求，判定非线性光学材料是否较好的标准为1有较大的非线性极化率；2在工作波长处能有合适的透明度；3具有很高的光损伤阈值；4光学
49、均匀性足够；5容易进行切割加工；6在一定条件下，能达到相位的匹配。玻璃在非线性光学材料中，虽然它的非线性光学效应不是最好的，但是因为玻璃的内部构造比较特殊，具备了光学上的各向性质，具有较高的化学稳定性3和热稳定性，对于远距离也能产生相互作用，掺杂容易、加工及制作方便等一系列优点，因此将玻璃作为非线性光学材料尤其引人注目。其中碲酸盐、铋酸盐、氧化铅玻璃等重金属氧化物玻璃表现出许多有别于传统氧化物玻璃的特殊性能，如高的密度、高的折射率、低熔点和转变温度、较快的光响应时间及较大的非线性光学特性等。122三阶非线性光学材料三阶非线性光学材料的范围涉及很广。三阶非线性光学材料的状态可以是气态、液态、固态、，同时，从它的产生机制来说可以很不相同，例如有些来源于固体的能带以内或能带之间的电子跃迁；有些来源于分子的重新排列或转向等。常见的三阶非线性光学材料有惰性气体，如氦、氖、氩等。碱土金属和碱金属的原子蒸气，用于产生各种光学效应，以实现激光在近红外、可见及紫外波段间的频率变换及频率调谐。有机溶液及液体。液晶相的各种液晶以及各向同性相中的各种液晶，由于液晶分子的取向排列有较长的弛豫时间，故液晶的各种光学非线性效应有自己的特点。某些半导体晶体。13三阶非线性光
