羟乙基苯基卟啉三丙酸酯的超快非线性研究

胡月

（苏州大学 215006）

羟乙基苯基卟啉三丙酸酯的超快非线性研究

胡月

（苏州大学 215006）

本文中我们用时间分辨泵浦探测器来研究一种新的卟啉衍生物羟乙基苯基卟啉三丙酸酯的非线性吸收与非线性折射。实验结果显示羟乙基苯基卟啉三丙酸酯有较强的反饱和吸收和自散焦效应。通过简化的三能级获得了样品的光物理机制和参数，发现样品具有较长的激发态寿命而且适合在光限幅领域发挥其作用。

引言

随着激光的发展，越来越多的非线性光学性质被应用在光子学和光电子学中，如光限幅和光学开关等[1～2]。在本文中，我们研究了一种新型的卟啉衍生物，命名为羟乙基苯基卟啉三丙酸酯。我们用基于Z扫描技术上的时间分辨泵浦探测技术可以同时探究样品的非线性吸收与非线性折射机制。实验结果通过经典的纳秒Z扫描再次证实，结合五能级模型简化后的三能级模型，我们得到了相应的非线性参数：吸收截面、单重态寿命、系间跨越时间和折射系数等一系列参数，解释了羟乙基苯基卟啉三丙酸酯非线性机制。

1 实验

用铟离子取代在核心的两个弱酸性质子。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）直接由化学键跟卟啉结合。在图1中，n=26。在本实验中，将羟乙基苯基卟啉三丙酸酯溶于二甲基甲酰胺中，浓度为1.1×10-4mol/L，放置于2mm厚的石英样品池中。

图1 羟乙基苯基卟啉三丙酸酯的分子结构图

2 结果与讨论

羟乙基苯基卟啉三丙酸酯/二甲基酰胺溶液的线性透过率为T=52%。

表1 羟乙基苯基卟啉三丙酸酯的一些参数

我们用五能级模型简化等效成三能级模型来讨论本样品的非线性光学性质。只要考虑电子在S0，S1，T1三个能级的布居和跃迁情况。

简化后我们能得到羟乙基苯基三丙酸酯的一组非线性参数有：各个能级所对应的吸收截面：σS0，σS1，σT1；各个激发态能级所对应的折射体积：△ηSl，△ηTl；各个激发态能级所对应的能级寿命：τSl,τTl；系间跃迁时间：τISC。通过数值模拟，来确定各个参数。样品的吸收可表示成：

没有泵浦光作用的情况下，样品的吸收可以表示为线性吸收：

式中：α0=logT0/-L，N0=NA·C，T0=0.52 是样品的线性透过率，NA为阿伏伽德罗常数，L是样品厚度，C为溶液浓度1.1×10-4mol/L，计算得σS0=7.1×10-22，m3，σS1=2.1×10-21，m3，△ηS1=-2.0×10-20m3。由于在泵浦探测的数据中，吸收和折射的延迟时间大致不变，因此，σT1、△ηT1、τS1、τISC这四个参数可能有两种不同的组合形式：第一种情况：系间跃迁的寿命比单重态第一激发态能级的寿命长，S1能级上所有粒子的相当一部分回到S0，而余下的粒子以系间跃迁的形式到T1上，此时T1上的粒子不再弛豫，所以此时△ηT1>△ηS1。第二种情况，系间跃迁的寿命比单重态第一激发态能级的寿命短，S1能级上粒子向基态弛豫的占总数的很少一部分，而大部分以系间跃迁的形式布居在T1上，持续到延迟时间结束。此种情况中，△ηr1>△ηS1。再用波长为532纳米，脉冲宽度为4纳秒的纳秒Z扫描实验来进一步确定样品的性质。在本实验中，△ηT1>△ηS1，羟乙基苯基卟啉三丙酸酯/二甲基酰胺溶液具有较大的单重态和三重态吸收截面，可用于光限幅。

3 结论

本文中我们用时间分辨的泵浦探测技术和纳秒Z扫描技术实验研究了羟乙基苯基三丙酸酯/二甲基酰胺溶液在皮秒时域和纳秒时域下波长为532纳米的光学非线性性质。实验结果结合了三能级理论模型分析，得到了样品非线性光学性质的机制。得到样品有较强的反饱和吸收和自散焦效应。通过简化的三能级获得了样品的光物理机制和参数，发现样品具有较长的激发态寿命。进一步确定了样品在光限幅领域的发展空间。

[1]Nie，W.J.，"Optical nonlinearity：phenomena，applications，and materials"，Adv.Mater.，5（7～8）：520～545（1993）.

[2]Tutt，L.W.，and Boggess，T.F.，"A review of optical limiting mechanisms and devices using organics，fullerenes，semiconductors and other materials"，Prog.Quant.Electr.，1（4）：299～338（1993）.

O626

A

1004-7344（2016）13-0290-01

2016-4-15