时至今日,非线性光学材料在光电子、通信、信息处理等领域的重要作用日益突出,发展新型、优良的非线性光学材料迫在眉睫。与传统的无机非线性光学材料相比,有机非线性光学材料在损伤阈值、响应时间和非线性光学系数上具有决定性优势。沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIFs)是一类以咪唑或其衍生物为配体的特殊金属有机骨架结构材料,其以结构多样性、高度的热学和化学稳定性,近年来受到了国内外研究者的关注。本文总结了沸石咪唑酯骨架结构材料制备方法以及非线性光学特性的研究进展,并就沸石咪唑酯骨架结构材料在非线性光学领域的应用前景进行了展望。

采用高温熔融-自发结晶法成功获得一种新型混合金属硫化物Ba7AgGa5S15。该化合物结晶于非中心对称的P31c空间群(No.159), 晶胞参数为a=0.964 53(10) nm, c=1.805 9(4) nm, Z=2。其结构是由［Ga4S10］T2超四面体与［AgS4］四面体共顶点连结形成的含有18元环孔道的三维网状框架, 孤立的［Ga(2)S4］四面体填充在孔道中, Ba2+填充在该三维框架结构的空隙当中。第一性原理计算研究了该化合物的电子结构、态密度、双折射率、二阶非线性光学系数, 以及倍频密度。结果表明, 该化合物具有大的光学带隙(3.76 eV), 其带隙主要由S 3p, Ba 5d和Ga 4s轨道决定; 其d33方向上的倍频系数约为AgGaS2的0.4倍, 主要倍频贡献来源于［AgS4］和［GaS4］四面体。该研究表明在Ag-Ga-S体系中引入Ba2+, 形成的Ba7AgGa5S15表现出比AgGaS2更宽的带隙, 有利于产生高的激光损伤阈值(LDT)。

锶镉锗硒(SrCdGeSe4)晶体是近期被发现的一种性能优异的新型红外非线性光学材料。本研究采用自制的双温区管式炉成功合成出SrCdGeSe4多晶, 单次合成量达到300 g; 采用坩埚下降法首次生长出SrCdGeSe4单晶, 尺寸为27 mm×80 mm; 通过定向、切割和抛光等程序, 得到几个不同尺寸的定向SrCdGeSe4晶片, 选取一片8×8×2 mm3双面抛光(110)晶片测试了摇摆曲线、红外透过光谱和激光损伤阈值。结果显示: (220)摇摆曲线半峰宽为44.8″, 该晶体的短波透过截止边为596 nm, 且在1~14 μm波长范围内透过率超过68%; 另外, 晶体在Nd∶YAG脉冲激光, 脉宽5 ns, 重复频率1 Hz, 光斑直径0.15 mm测试条件下, 激光损伤阈值为530 MW/cm2。

中红外非线性光学晶体通过典型的变频技术可高效输出中红外激光, 是中红外激光器的重要部件, 在**和民用领域有着广泛的应用。目前有实际应用前景的中红外非线性光学材料大多是由四面体基元构成结构框架的四配位硫属化合物。本文回顾了21种代表性四配位硫属化合物的晶体结构、光学性能, 以及理论计算结果, 分析总结了四配位硫属中红外非线性光学晶体的晶体结构与光学性能之间的关系, 这对探索性能优异的新型中红外非线性光学晶体具有重要指导意义。

为了提高皮秒可见光参量产生/放大器(OPG/OPA)的转换效率及输出能量, 采用走离补偿结构和镜片膜系特殊设计等方法进行了实验验证。研究了在不同的抽运能量下OPA信号光的光束质量因子M2的演化过程和信号光在430nm~680nm内的调谐输出性能。结果表明, 在6.9mJ的355nm抽运能量下, 最高获得了2.7mJ的510nm信号光能量输出, 对应的光光转换效率为39.1%, 光子转换效率为56.2%;该方法可以有效提高OPG/OPA的输出能量和转换效率。该研究对紫外和深紫外晶体的表征是有帮助的。

全光调制器在全光信号处理和通信等全光应用中起着重要的作用。主要研究了基于MoS2-PVA薄膜实现的全光调制器。此外, 也验证了WSe2-PVA薄膜也可实现全光调制。该器件利用热光效应, 结合偏振干涉实现了全光调制, 得到了长时间稳定输出的调制信号。将980 nm的脉冲信号作为控制光, MoS2或WSe2吸收光产生热量, 使薄膜的折射率发生改变, 从而改变1 550 nm信号光的偏振态, 实现980 nm控制光对1 550 nm光的调制。得到的MoS2-PVA薄膜全光调制器的上升沿时间为526 μs。

随着红外光纤制备技术的不断发展,低损耗、高非线性且结构完美的红外硫系光纤的研制迫在眉睫。采用了传统的熔融淬冷法和动态蒸馏纯化工艺制备了As₄₀Se₅₈Te₂和As₄₀Se₆₀两种玻璃样品,基于两次多步挤压法制备了完美芯包阶跃结构的硫系光纤预制棒,在聚合物的保护下拉制出了损耗较低的阶跃型单模硫系玻璃光纤。结果表明:蒸馏纯化工艺可有效去除硫系玻璃中大部分杂质,2%摩尔百分比的Se被Te替换可有效实现小数值孔径并达到单模传输条件,采用截断法对单模硫系光纤进行了损耗测试,其最低损耗为1.66 dB/m(6.06 μm),工作波段为2.5~12 μm。以光参量放大器(OPA)为抽运源获得了覆盖1.5~13.2 μm(40 dB带宽)的超连续谱输出,光纤有较好的中远红外传输性能和极高的光学非线性性能。

为了研究新的全息记录介质, 本文我们介绍一种基于TMPTA单体的光致聚合物材料。我们已经在该聚合物薄膜样品中成功记录三维实物信息及数字静态视差图像存储等, 证明具有良好的全息记录与重建的性能。实验结果表明: 该材料在记录角度为26°时, 不加电压等任何外部条件下的衍射效率接近90%, 并且制作简便、容易保存, 作为全息记录介质能够有效地重建出高分辨率, 高衍射效率的全息再现像。由于该聚合物的高衍射效率并且不需要外加电压等特性, 该材料更加适合用于全息图和大数据的永久存储, 并且它在大尺寸静态三维全息图显示、三维图像存储、数据储存、全息防伪、全息打印等领域具有较强的优势和潜在的应用前景。