蘇少昌，王希軍

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春130031;2.中國科學(xué)院研究生院，北京100049)

1 引言

有機(jī)雙光子材料在三維光存儲［1，2］、三維微加工［3，4］、雙光子熒光顯微術(shù)［5～7］、雙光子上轉(zhuǎn)換激射［8～10］、光 限 幅［11～13］以 及 光 動 力 學(xué) 治 療術(shù)［14，15］等高科技領(lǐng)域中具有誘人的應(yīng)用前景，受到國內(nèi)外研究者的高度重視。雙光子吸收截面是衡量材料雙光子吸收能力的物理參數(shù)，為了準(zhǔn)確地測量材料的雙光子吸收截面，在過去的幾十年中，多種測量雙光子吸收截面的方法陸續(xù)得到了發(fā)展，其中包括非線性透過率法，Z掃描技術(shù)，雙光子誘導(dǎo)熒光法等［16～18］。

非線性透過率法是直接測量透射光強(qiáng)隨入射光強(qiáng)的變化情況而得出雙光子吸收截面的一種方法。本文基于非線性透過率法，用皮秒激光器對雙光子材料薄膜進(jìn)行了實驗研究，該項研究以往未見有公開的報道。

2 測量原理

實驗中采用非線性透過率法［19］對實驗樣品進(jìn)行測量，透過率與雙光子系數(shù)的關(guān)系為：

式中，TN為透過率，β為雙光子吸收系數(shù)，l為薄膜厚度，I為入射光強(qiáng)。如果介質(zhì)的分子數(shù)密度為N，則可得雙光子吸收系數(shù)β與雙光子吸收截面值δ的關(guān)系為：

式中，h為普朗克常數(shù);ν為入射光頻率;N為樣品的分子數(shù)密度。

為了測量偶氮染料的雙光子吸收截面，在實驗中必須發(fā)生明顯的雙光子吸收現(xiàn)象。由雙光子吸收理論可以知道，要發(fā)生明顯的雙光子吸收有兩種途徑，一種是增大入射光強(qiáng);另一種是增加入射光在樣品中的通光長度，增加薄膜厚度。由于實驗條件限制，增加入射光強(qiáng)和增加單層膜的厚度在現(xiàn)階段很難實現(xiàn)，于是本文考慮用多層膜疊加法增加膜厚，即在大的PC基底上旋涂偶氮染料薄膜，然后切割為等大的小片，再把5片疊加起來兩端夾緊作為實驗中測量樣品。測試中必須考慮各界面的反射效應(yīng)。

如圖1所示，假定在空氣中測量樣品，則界面1兩邊介質(zhì)為空氣與待測樣品，界面2兩邊介質(zhì)為樣品與基底，界面3兩邊為基底與空氣。設(shè)空氣、樣品、基底的折射率分別為 n0，n1，n2，則由菲涅耳定理可得，當(dāng)光正入射時各界面的反射率分別為：

圖1 多層膜疊加模型圖Fig.1 Multi-layered equivalent film

經(jīng)過5層疊加膜后由界面反射效應(yīng)引起的透過率為：

如果入射到第一界面的激發(fā)光強(qiáng)度為I，則T'×I即可作為測量多層膜樣品非線性透過率時的入射光強(qiáng)。通過改變光強(qiáng)，測量一系列功率值P和透過率T，然后通過式(1)進(jìn)行曲線擬合，可以求得非線性吸收系數(shù)β，進(jìn)一步得到雙光子吸收截面δ。

3 薄膜制備

按0.1 mol/L配制偶氮染料(Azo Dye)丙酮溶液，制作膜片時首先要對PC襯底進(jìn)行清洗，基底為特制的PC料(折射率為1.59，對1 064 nm高透，線性吸收僅為 1.3×10.6/μm)，厚度為1.0 mm，步驟如下：

在旋涂之前需要先將配制好的染料溶液經(jīng)過攪拌和微孔過濾器過濾并用超聲使之均勻。然后將洗凈的基片吸附在甩膜機(jī)上，用針筒抽取部分溶液，均勻而緩慢地滴在襯底上，以溶液布滿基片為宜。溶液剛滴在基底上時可能會有氣泡，此時應(yīng)先將其靜置幾分鐘，待氣泡消失，再設(shè)置好轉(zhuǎn)速時間，通過基底的高速旋轉(zhuǎn)，得到高分子薄膜。然后在60℃通風(fēng)櫥烘干10 min，置入80℃真空烘箱24 h。最后選擇在150℃氮?dú)饬鳁l件下恒溫處理25 min，進(jìn)一步去除溶劑。制膜條件為：轉(zhuǎn)速2.2 kr/min，旋涂時間 12 s。

采用法國Jobin Yvon公司生產(chǎn)的變角度寬光譜橢圓偏振光譜儀(UVISEL，入射角55～80°可調(diào))對膜厚及其折射率進(jìn)行測量，測得薄膜樣品厚度為60 μm，折射率為1.329。測量發(fā)現(xiàn)薄膜表面沒有明顯的顆粒，均勻性良好。由配制偶氮染料(Aoz Dye)的濃度為0.1 mol/L，可得薄膜的分子數(shù)密度為6.022×1022cm-3。

4 實驗結(jié)果

圖2給出了偶氮染料的實驗測試數(shù)據(jù)及擬合曲線，其中取空氣的折射率n0、樣品的折射率n1和基底的折射率n2分別為1.0，1.32和1.59。最后擬合得到偶氮染料的雙光子吸收系數(shù)β值為2.04(cm/GW)，對應(yīng)的雙光子吸收截面δ值為634.2 GM。

圖2 偶氮透過率曲線Fig.2 Transmittance of aoz dye films

5 結(jié)論

對雙光子誘導(dǎo)透射率進(jìn)行研究并提出了一種新穎的處理方法，該方法不僅能對溶液進(jìn)行測量，還可以對薄膜，尤其是可對多層膜疊加進(jìn)行測量。與其它雙光子吸收截面的測試方法如誘導(dǎo)熒光法及Z掃描法相比較，雙光子誘導(dǎo)透射率法具有測試裝置簡單，數(shù)據(jù)處理相對容易，測試中不需要知道樣品的熒光量子產(chǎn)率等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是難以排除其它非線性效應(yīng)帶來的影響。不過，就目前而言，任何一種雙光子吸收截面的表征方法的準(zhǔn)確度都在一個數(shù)量級以內(nèi)，因此“界面反射效應(yīng)排除法”對估測樣品截面量級而言是可行的。

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