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究
2、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，由
3、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，因而引
4、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、脉冲激光沉积、
5、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低共
6、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。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
7、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、化学稳定性好的基质玻
8、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，很难达到激光玻璃
9、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。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，它比利用电子
10、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，采用的是单光束
11、，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月撰写论文五、主要参考文献1TIEFENGXU,FEIFEICHEN,XIANGSHEN,SHIXUNDAI,QIUHUANIE,XUNSIWANGOBSERVATIONOFSURFACEPLASMONR
12、ESONANCEOFSILVERPARTICLESANDENHANCEDTHIRDORDEROPTICALNONLINEARITIESINAGCLDOPEDBI2O3B2O3SIO2TERNARYGLASSESJMATERIALSRESEARCHBULLETIN,2010,45150115052LITTYIRIMPAN,VPNNAMPOORI,PRADHAKRISHNANSPECTRALANDNONLINEAROPTICALCHARACTERISTICSOFNANOCOMPOSITESOFZNOAGJCHEMICALPHYSICSLETTERS,2008,4552652693杨修春，董志伟,李
13、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陈飞飞,徐铁峰
14、,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,2000,34355359
