由于基于非线性光学原理的光限制效应在原理上可实现宽带可调谐激光防护,故近年来倍受关注。目前的研究热点主要集中于研制性能优良的新型光限制材料以及根据现有材料获得最佳的光限制性能的具体方法两个方面。实现光限制效应有多种方案,其中反饱和吸收材料和双光子吸收材料是最有发展前途的。基于上述考虑,本文对基于非线性光学原理光限制机制的光限制器进行了较系统的理论和实验研究,为光限制器的实用化提供可靠依据。本文主要研究内容和结果如下： 1.以串级结构Z扫描为例,采用解析和数值模拟方法深入地分析了光束在多介质层中的传播特性,并对解析方法和数值模拟方法进行了比较,理论计算与实验结果相吻合；同时采用基于坐标变换方法的Crank-Nicholson有限差分格式的优化算法,数值模拟了光束在多层介质中的传播行为,进一步分析了多层介质中的光束传播特性,这将有助于光限制器的优化设计和串级介质光学非线性特性的确定。 2.详细地研究了二硫化碳在短波长区域420nm-470nm的光限幅特性和非线性吸收特性。二硫化碳对波长420nm-450nm范围的纳秒脉冲具有较大的非线性吸收和优良的光限制特性。随着波长的增加,二硫化碳的非线性吸收和光限制性能逐渐减弱。同时,对于特定波长的光脉冲,不同厚度样品表现出的光限幅能力显著不同。二硫化碳良好的光限制特性归因于大的非线性吸收,这种非线性吸收机制起源于双光子吸收以及由双光子吸收诱导的激发态吸收。 3.对基于反饱和吸收的串级样品的光限制性能进行了实验研究,对串级样品和单一样品的光限制性能进行了比较,分析了串级样品空间结构配置、溶液浓度对其光限制性能的影响。串级反饱和吸收材料的光限制性能在不同浓度和不同配置下有较大差异,因此,为更好地优化光限制性能,对于给定的样品,其空间位置、浓度、厚度、串级数目必须合理选择,同时还要考虑样品池的表面反射对光限制性能的影响。 4.采用开孔Z扫描方法对单溴化和双溴化自由基卟啉、锌卟啉和铜卟啉的光学非线性吸收特性进行了测量,分析了二苯基卟啉非线性吸收的溴化和金属化效应。不同溴化和金属化的卟啉表现出不同的非线性吸收特征,通过溴化和金属化可以实现非线性吸收在饱和吸收与反饱和吸收之间的转变,导致这种转变的原因来自于激发态吸收截面和基态吸收截面的改变。根据实际应用,人们可通过材料结构的改变来获得光学非线性的改善和调整。 5.采用开孔Z扫描方法对四苯基卟啉在不同溶剂以及混合溶剂中的非线性吸收特性进行了测量,分析了溶剂对四苯基卟啉光学非线性吸收特性的影响。在低激发光强下,不同浓度的四苯基卟啉在纯溶剂和混合溶剂中均表现为规则的反饱和吸收特性,并且相同浓度的四苯基卟啉在纯溶剂中和在混合溶剂中表现出大致相同的非线性吸收。在高的激发光强下,四苯基卟啉在纯溶剂中和在混合溶剂中呈现不同的非线性吸收特征。不同浓度的四苯基卟啉在纯溶剂中均表现出较规则的反饱和吸收,没有饱和吸收的出现,而四苯基卟啉在混合溶剂中的非线性吸收行为表现出反饱和吸收→饱和吸收→反饱和吸收的转变,并且在确定的样品浓度下,四苯基卟啉在混合溶剂中的非线性吸收强度小于在纯溶剂中的情况。其原因很可能是在高的激发光强下,由于溶剂-溶质间的强相互作用,导致四苯基卟啉的三重态-三重态猝灭,使得三重激发态占有粒子数的减小,从而表现出非线性吸收的减弱,并且在高的激发光强下,激发态吸收诱导双光子吸收,激发态吸收和双光子吸收的共同作用导致四苯基卟啉在混合溶剂中的非线性吸收特性的改变。