噻吩类衍生物分子超快非线性光学吸收及激发态动力学过程探究

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非线性光学是一门研究光与物质相互作用的学科,随着非线性光学的不断发展,应用领域不断扩大,如今已涉及到光信息计算、激光技术、纳米光子技术、生物科技等各个领域。非线性光学的发展离不开非线性光学材料,相关材料的报道层出不穷,其中有机非线性光学材料由于制作成本低、结构灵活、响应速率快等优势逐渐成为研究的热点。找寻材料非线性光学响应与分子结构之间的关系,设计、合成出具有更优异性能的材料成为目前研究的主要内容。本文合成了两种噻吩衍生物TH-17(1-对甲苯基-3(α-三联噻吩-2-基)丙烯酸)和TH-19(1-(5-溴噻吩-2基)-3-(α-三联噻吩-2-基)丙烯酮),并利用Z扫描技术研究了它们的超快非线性光学性能。两种化合物在较宽波长范围内(560-800 nm)均表现出反饱和吸收性能,本征多光子吸收被认为是造成光学响应的主要原因。我们引入了双光子吸收(two-photon absorption,TPA)和双光子诱导的激发态吸收(two-photon absorption induced excited-state absorption,TPA-ESA)机理来解释这一现象,并计算了一些主要的非线性光学系数,包括双光子吸收系数和双光子吸收截面。由于TH-19具有更好的电子离域性,在所有波长下都表现出优于TH-17的非线性光学响应,并且在560 nm处得到了 10 12(m/w)数量级的双光子吸收系数。其非线性光学性能也优于最近报道的一些具有类似分子结构的蒽衍生物和查尔酮衍生物分子。噻吩取代基的引入增强了π电子离域,被认为是引起这一差异的主要原因。此外,还通过飞秒瞬态吸收实验研究了激发态吸收。根据瞬态吸收光谱,在550 nm-750 nm区域观察到强烈的激发态吸收。分析了动力学过程,得到了 0.25 ps、4.5 ps、188 ps和2.43 ns的4个弛豫过程(TH-19)。增强的非线性光学响应和激发态吸收的变化区域表明,通过末端取代基的改变,能够对材料的非线性光学性能得到有效提高。
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