1 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所, 河南 洛阳 471000
2 西北工业大学伦敦玛丽女王大学工程学院, 西安 710000
3 哈尔滨工业大学, 哈尔滨 150000
纳秒级脉冲激光对战场中广泛使用的光电传感器构成了严重威胁。光限幅材料在阻止强激光通过的同时, 不影响低能量信号光的通过, 是目前激光防护领域的研究热点。针对可见-近红外波段光电传感器强激光防护应用需求, 在金属酞菁化合物基础上, 基于增强其共轭体系电子云密度的设计思想制备了一种新型高性能光限幅材料--四枯丁苯氧基氯代酞菁铟, 并对其进行了测试表征。瞬态吸收光谱实验表明,四枯丁苯氧基氯代酞菁铟具有很强且长寿命的激发态吸收。光限幅性能测试证明其光限幅启动阈值为8 mJ/cm2, 光限幅阈值为0.06 J/cm2, 损伤阈值大于4 J/cm2,当输入能流达到3 J/cm2时, 光限幅器件透过率下降到6%。由测试结果可以看出, 该材料光限幅启动阈值及光限幅阈值低, 损伤阈值高, 可见-近红外波段线性透过率高, 具有优异的光限幅性能, 在光电系统激光防护中具有较高的应用前景。
光限幅 酞菁 非线性光学 optical limit phthalocyanine nonlinear optics
1 中国科学院理化技术研究所 固体激光重点实验室, 北京 100190
2 中国科学院理化技术研究所 功能晶体与激光技术重点实验室, 北京 100190
3 中国科学院理化技术研究所 光化学转换和功能材料重点实验室, 北京 100190
4 中国科学院大学, 北京 100049
激光防护材料在保护人眼和光学器件免受强激光破坏方面具有重要意义，其中基于非线性光学原理工作的固态光限幅材料有望成为未来激光防护的主体。本文介绍了光限幅材料的研究背景、工作机理、参数指标以及测试技术，综述了目前具有实用前景的多类光限幅材料的研究进展，对无机半导体材料、共轭有机高分子、无机金属团簇、碳纳米材料、二维材料等5类材料做了重点介绍，探讨这些光限幅材料的发展前景，并介绍了相关材料在固态基质中器件化的研究现状。
光限幅 非线性光学 激光防护 optical limiting nonlinear optics laser protection
北达克达州立大学 化学与生物化学系，美国 北达克达州法戈市 58108-6050
本文总结了2003~2019年报道的联三吡啶铂（Ⅱ）配合物的反饱和吸收或双光子吸收及光限幅研究进展，并对这类配合物的光物理特性，包括基态吸收?激发态吸收?激发态寿命和三重态量子产率?在532 nm的反饱和吸收或光限幅，在近红外光区的双光子吸收，以及构效关系进行了评估。首先介绍了目前光限幅材料和器件的研究现状，对反饱和吸收和双光子吸收材料的基本要求，以及平面正方形铂（Ⅱ）配合物的种类和特性；其次讨论了六个系列联三吡啶类铂（Ⅱ）配合物的反饱和吸收或光限幅及构效关系；随后总结了五个系列联三吡啶铂（Ⅱ）配合物的双光子吸收及结构变化对双光子吸收截面的影响；最后对文献报道的工作进行了小结。根据文献报道的工作发现的一个趋势是：在联三吡啶配体或单齿炔配体上引入取代基可以调节基态和激发态的吸收，特别是在配体上引入给电子基团或增加联三吡啶和其上的芳香环取代基的共平面性会引起基态吸收红移但降低或淬灭激发态的吸收，这样会降低在532 nm的反饱和吸收或光限幅。但是扩展联三吡啶配体上的共轭体系则能大幅提高铂（Ⅱ）配合物的双光子吸收截面，尤其是在联三吡啶配体上引入吸电子的共轭芳香环取代基可以控制基态吸收在500 nm以下，同时保持了在可见光区的长寿命宽幅三重激发态吸收和在近红外光区的中等强度的双光子吸收，这对研制宽幅激光限幅材料有重要意义。
光限幅；非线性吸收；联三吡啶铂(Ⅱ)配合物；反饱和吸 optical limiting nonlinear absorption platinum(Ⅱ) terpyridine complex reverse saturable absorption two-photon absorption 红外与激光工程
2020, 49(12): 20201078
长春理工大学 化学与环境工程学院, 吉林 长春 130022
通过共价键合将二氨基二枯丁苯氧基氯代铟酞菁(Pc)与羧基化氧化石墨烯(GO-COOH)键合在一起, 得到二氨基二枯丁苯氧基氯代铟酞菁-氧化石墨烯键合产物(Pc-GO-COOH), 并以键合产物为原料反应得到引发剂。以甲基丙烯酸甲酯(MMA)为聚合反应单体, 通过原子转移自由基聚合(ATRP)反应得到四种不同分子量的聚合物样品。采用凝胶渗透色谱(GPC)对聚合物分子量分布测试, 结果表明, 所制备的聚合物的分子量分布范围较窄, 聚合反应具有良好的可控性。采用Z-扫描方法对聚合物样品溶液进行的三阶非线性测试结果表明, 所制备的聚合物具有优良的三阶非线性光学性质, 且当聚合物的分子量分别为9 063和12 196时, 三阶非线性极化率值分别为8.1×10-11、2.1×10-11 esu。同时对聚合物样品的光限幅性能测试结果表明, 两种样品的有效激发态与基态吸收截面比分别为2.69和2.20, 具有较好的光限幅能力, 具有较大的应用前景。
二氨基二枯丁苯氧基氯代铟酞菁 氧化石墨烯 原子转移自由基聚合 三阶非线性 光限幅 diaminophenoxyl chloride indium phthalocyanine graphene oxide atom transfer radical polymerization third-order nonlinear optical limiting 红外与激光工程
2020, 49(1): 0107001
1 河北大学 化学与环境科学学院 河北省化学生物学重点实验室 教育部药物化学与分子诊断重点实验室, 河北 保定 071002
2 光电信息安全控制科学技术实验室, 天津 300308
3 哈尔滨工业大学 物理系, 黑龙江 哈尔滨 150001
在钯催化下, 一步反应合成并表征了三个扭曲并苯功能化的杂芳烃分子(2, 5, 8)。与扭曲并苯分子1相比, 所得分子的吸收波长和发射波长发生明显红移, 荧光位于蓝光和绿光区域。化合物2、5、8的最大吸收波长分别位于462、478、468 nm, 发射波长分别位于476/506、497/527、497/520 nm。利用循环伏安法测试了分子的电化学性质, 结果显示分子8拥有最小的可逆的第一氧化电位0.35 V, 归因于氧化氨基部分。利用飞秒激光实验表征了分子的光限幅性质, 实验结果表明所有分子均具有优良的透过率, 且分子5呈现最优的光限幅响应能力。
扭曲并苯 合成 光电性质 光限幅 twistacene synthesis optoelectronic property optical limiting 红外与激光工程
2019, 48(11): 1103005
兰州大学 化学化工学院 功能有机分子化学国家重点实验室, 甘肃 兰州 730000
块状材料锑粒通过液相剥离成功制备了锑烯纳米片。采用扫描电镜、紫外-可见吸收光谱和拉曼光谱对所制锑烯进行了表征, 制备的锑烯纳米片展现出从紫外区到可见光区的宽谱吸收, 并且展现出锑的拉曼特征峰, 微观结构上展示出二维纳米片状的独特结构。利用Z-扫描技术对所制样品的三阶非线性光学性质测试发现, 在脉冲宽度为4 ns、波长为532 nm的激光光源激发下, 锑烯展示出饱和吸收的性质, 其非线性吸收系数β为-7.86×10-11 m/W。通过对样品进行电子辐照, 成功获取了具有光限幅性质的二维锑烯。辐照后的锑烯展示出反饱和吸收的性质, 非线性吸收系数β为8.69×10-11 m/W。
锑烯 电子辐照 光限幅 antimonene electron irradiation optical limiting 红外与激光工程
2019, 48(11): 1103004
西安交通大学 电子与信息工程学院 陕西省信息光子技术重点实验室, 陕西 西安 710049
作为一类新型二维纳米材料, 金属碳/氮化物纳米片(MXene)具有高的比表面积和电导率, 以及组分、层数与厚度灵活可控的优点, 在储能、催化、传感和光学等领域具有潜在应用价值。研究了一种MXene材料碳化钛(Ti3C2TX)纳米片分散液的非线性光学效应及其响应机制。发现Ti3C2TX纳米片分散液在532、1 064 nm纳秒脉冲激光作用下表现出优异的光限幅性能, 其限幅阈值分别为0.14 J/cm2和0.12 J/cm2; 通过测量非线性散射光强度随入射光功率密度的依赖关系, 发现该材料光限幅响应机制主要起源于非线性光学散射效应。与传统的光限幅材料C60比较, 该材料具有光限幅阈值低、响应波长范围宽等优点。
光限幅 碳化钛纳米片 非线性散射 optical limiting titanium carbide nanosheets nonlinear scattering 红外与激光工程
2019, 48(11): 1103002
1 苏州科技大学 数理学院 江苏省微纳热流技术与能源应用重点实验室, 江苏 苏州 215009
2 光电信息安全控制科学技术实验室, 天津 300308
3 苏州大学 物理科学与技术学院, 江苏 苏州 215006
4 河北大学 化学与环境科学学院 河北省化学生物学重点实验室 教育部药物化学与分子诊断重点实验室, 河北 保定 071002
5 哈尔滨工业大学 物理系, 黑龙江 哈尔滨 150001
高性能的光限幅对激光防护应用来说非常重要。虽然光限幅相关的研究持续了几十年, 但是绝大多数的已知光限幅材料无法兼顾低限幅阈值、高线性透过率和宽带、超快响应。从实验和理论上报道一种基于共轭扭曲并苯分子的多功能光限幅材料。研究结果显示, 借助等效三光子吸收, 该材料能够在480~700 nm的光谱范围内实现光限幅并具备快速的响应能力。此外, 样品还同时具备低限幅阈值(0.15 J/cm2)和极高的线性透过率(532 nm时92%)。该光限幅材料集以上所有优点于一身, 在用于人眼和光子器件的超快激光防护领域具有巨大的前景。
扭曲并苯 非线性吸收 双光子诱导激发态 光限幅 twistacene nonlinear absorption two-photon induced excited-state optical limiting 红外与激光工程
2019, 48(11): 1103001
利用克兰克-尼科尔森差分法求解激光场的傍轴波动方程和粒子数速率方程,研究纳秒超高斯型激光脉冲与富勒烯C60分子的相互作用过程,并模拟不同阶次强场超高斯型激光脉冲在介质中的传播演化情况。当强场超高斯脉冲在C60分子介质中传播时,表现出明显的反饱和吸收光限幅效应,而且脉冲的时空包络形状在传播过程中被重塑,由初始入射时的具有中心对称性的平顶型时间包络分布逐渐转变成具有非中心对称的尖顶型激光脉冲分布,而且脉冲持续时间也缩短了一个数量级;随着输入超高斯型脉冲时间阶次的不断增大,在传播过程中被吸收的脉冲不断增多,出射脉冲宽度逐渐减小。
超快光学 脉冲整形 反饱和吸收 光限幅 超高斯型激光脉冲 绝热近似 迟至时间坐标系
1 南京航空航天大学机电学院,南京 210016
2 南京航空航天大学理学院,南京 210016
碳纳米粒子悬浮液具有良好的光限幅性质,是一种优良的宽波段光限幅材料。通过热传导方程和米氏散射理论建立了微气泡半径与入射光能量、碳纳米粒子悬浮液散射系数和透过率的理论模型。采用Matlab数值模拟了散射系数随微气泡尺寸因子的变化关系,碳纳米粒子悬浮液光限幅性能随入射光能量的变化规律。研究了气泡尺寸因子、入射激光能量以及波长对碳纳米粒子悬浮液光限幅特性的影响。研究发现当激光能量达到一定值时,微气泡的半径保持恒定,不再随入射激光能量的增加而增加。微气泡尺寸的增大对碳纳米粒子悬浮液的透过率有着显著的影响。同时,碳纳米粒子悬浮液对不同入射光波长和光能表现出不同的光限幅性能。研究结果为实验研究提供了理论指导。
碳纳米粒子悬浮液 热传导方程 米散射理论 光限幅性能 carbon nanoparticles suspension heat conductions Mie scattering theory optical limiting properties
