激光與有機分子材料的非線性相互作用.pdf

1、本論文主要進行了兩方面的研究工作:一方面是應用現(xiàn)代量子化學方法理論研究了一系列有機分子的非線性光學性質,著重研究了雙光子吸收截面和溶劑效應;另一方面是采用時域有限差分法與預估校正運算法則數(shù)值求解Maxwell-Bloch方程,模擬了超短脈沖激光在有機分子材料中的共振傳播過程.主要內容和結果如下. 1.在Hartree-Fock水平上,利用解析響應函數(shù)方法,研究了1,4-二甲氧基-2,5-二乙烯基苯系列衍生物分子的單光子和雙光子吸

2、收特性.研究結果表明該系列分子具有較強的雙光子吸收特性.在低能量范圍內,對于D-π-A型分子,分子的單光子吸收強度和雙光子吸收截面最大值都發(fā)生在分子的第一激發(fā)態(tài).對于D-π-D型分子,單光子吸收強度最大值出現(xiàn)在分子的第一激發(fā)態(tài),而最大雙光子吸收值則對應于分子的第二激發(fā)態(tài).分子的單和雙光子吸收強度和分子官能團的電性有關.對于由該類π中心部分構成的分子,其對稱型不一定比不對稱型更有利于提高雙光子吸收截面.分子基態(tài)與電荷轉移態(tài)的電荷轉移過程從

3、理論上定性地解釋了雙光子聚合反應的聚合機理. 2.理論計算了溶劑效應對一類可溶于水的聯(lián)苯乙烯分子的雙光子吸收特性的影響.對于對稱分子,計算結果表明溶劑極性對分子的結構和單光子吸收的影響很小,但是雙光子吸收性質卻顯示了很強的溶劑效應.并且,單光子吸收和雙光子吸收特性對分子的結構十分敏感,雙光子吸收強度通過構型扭轉會顯著減弱.全面的計算說明,對單個分子與溶劑相互作用性質的計算無法解釋實驗上觀測到的溶劑效應.此外,我們還考慮了分子的單

4、光子電子振動光譜,分析了振動模式對吸收譜的影響. 3.在含時密度泛函的水平上應用解析響應函數(shù)方法理論計算了一類偶極分子的單體及其兩種結構的二聚體的線性和非線性光學特性.用少態(tài)模型解釋了分子間的雙光子吸收性質的關系.量子化學計算結果與Frenkel激子模型的結果進行了比較,我們的計算在不依賴于實驗結果的基礎上與實驗符合得很好. 4.應用時域有限差分法與預估校正運算法則,通過數(shù)值求解Maxwell-Bloch方程,模擬了飛秒

5、激光脈沖在DBASVP偶極分子中的共振傳播.在光學范圍內,該分子只有一個電荷轉移態(tài),因此分子可以簡化為兩能級模型.數(shù)值模擬的結果顯示,固有偶極矩對脈沖的傳播有顯著地影響.對于2π脈沖,理想的自感應透明現(xiàn)象消失,出現(xiàn)了明顯的二次諧波成分,其原因在于發(fā)生了雙光子吸收過程.對于6π脈沖,傳播中形成了連續(xù)譜,連續(xù)的高頻成分在時域上支持更短的465阿秒脈沖的產生. 5.著重分析了超連續(xù)譜的演化,發(fā)現(xiàn)脈沖的面積和脈沖的寬度都對超連續(xù)譜起到調

6、制的作用.分裂脈沖之間的相干和時間能量的不確定關系決定了連續(xù)譜的譜線形狀.同時固有偶極矩對連續(xù)譜的影響也做了分析. 6.研究了超短脈沖在兩能級偶極分子體系中的共振傳播的相位依賴性.結果發(fā)現(xiàn),載波的傳播和頻譜的演化對脈沖的初始相位非常敏感.大面積的脈沖相位依賴性更強.由于分子的固有偶極矩可以增強分子的非線性光學效應,因此,偶極介質中,相位效應更加明顯. 本論文共分為十二章,第一章為綜述,對非線性光學現(xiàn)象做了簡單的介紹,回顧

7、了非線性光學和非線性光學材料的研究進展.并且介紹了超短脈沖激光的發(fā)展和應用.在第二章中,介紹了近年來計算分子非線性光學性質常用的幾種計算方法,包括態(tài)求和方法、少態(tài)模型方法、有限場方法以及響應理論方法,以及研究分子的非線性光學性質的溶劑效應時所采用的理論模型.第三章介紹了用以計算分子電子振動光譜的線性耦合模型.第四章詳細論述了超短脈沖激光產生的原理與技術和幾種重要的非線性光學現(xiàn)象.介紹了著名的面積定理和自感應透明現(xiàn)象.第五章推導了Maxw