[发明专利]一种调控铁电薄膜三阶非线性光学吸收特性的方法

说明书

技术领域

本发明属于非线性光学材料技术领域，具体涉及一种调控铁电薄膜三阶非线性光学吸收特性的方法。

背景技术

非线性光学是在激光出现后迅速发展起来的光学的一个重要分支，它的研究在激光技术、光通信、信息和图像处理与存储、光计算等方面有着重要的应用。非线性吸收是非线性光学效应的一种，是介质的吸收系数依赖于光强的现象。它具有两种相反的效应：吸收系数随着光强的增加而减小，为饱和吸收效应；吸收系数随着光强的增加而增加，为反饱和吸收效应。60年代，饱和吸收效应被广泛应用于激光脉冲的压缩（调Q和锁模）。70年代以来，所研究的大部分光学双稳器件都是基于由饱和吸收引起的非线性色散效应。同时，饱和吸收效应在激光放大器和上转换激光器等领域也有重要的应用。而反饱和吸收效应主要应用在激光限幅器领域起到激光保护的作用。

近年来，光信息和光通讯技术产业的快速发展强有力的推动了对于非线性光学材料和现象的研究。有机分子材料，半导体材料和铁电材料等作为具有潜在应用前途的非线性光学材料备受关注。目前，科研人员已经可以通过激光能量的控制实现有机分子材料的非线性饱和吸收向非线性反饱和吸收的转变。法国Lami等人在CdS中观察到双光子饱和吸收现象。东南大学顾兵等人研究Bi₂Nd₂Ti₃O₁₂和Bi_3.75Nd_0.25Ti₃O₁₂等铁电薄膜材料的三阶非线性光学效应，证明了铁电薄膜材料作为一种非线性光学材料在光子器件领域具有潜在的应用前途。然而，铁电薄膜作为非线性光学材料的应用依然具有局促性，如非线性吸收系数较小，降低了应用品质；自身非线性吸收效应的单一局限了其应用领域；非线性饱和吸收与反饱和吸收之间的转换还无法顺利实现等。

因此，发展一种调控铁电薄膜三阶非线性光学吸收特性的方法，对于促进铁电薄膜材料在非线性光子器件领域的应用具有重大的科学意义和商业价值。

发明内容

在本发明针对铁电薄膜作为非线性光学材料在非线性光子器件领域应用存在三阶非线性吸收系数较小、非线性吸收效应单一等系列问题，本发明的目的是在于提供一种可以调控铁电薄膜三阶非线性光学吸收特性的方法，具体为首先制备存在缺陷能级的具有三阶非线性光学吸收特性的铁电薄膜，再通过薄膜材料制备过程中厚度的控制，调节薄膜材料禁带宽度的大小，从而实现铁电薄膜三阶非线性光学吸收类型的转变和吸收系数的增大。该方法操作简单、可行性高，利于实现工业化。

本发明的目的通过以下方式实现。

1）利用脉冲激光沉积技术，在透明衬底上制备存在缺陷能级的具有三阶非线性光学吸收特性的铁电薄膜；2）通过薄膜生长过程中厚度的控制，调控薄膜的禁带宽度大小。

所述的透明衬底材料为表面粗糙度控制在10 Å以下的石英或氧化镁，优选为厚度1 mm的石英。

所述铁电薄膜材料优选为Bi_3.85Nd_0.15Ti₃O₁₂。

所述的用脉冲激光沉积技术制备铁电薄膜是在PLD-5000沉积系统中，以目标铁电材料为靶材，将透明衬底温度升高到750~800 ℃，在氧气压强为100 mTorr的条件下，用10 Hz的激光束辐照在靶材上，激光单脉冲能量为250~350 mJ, 激光束辐照时间为10~70 min, 在透明衬底上沉积铁电薄膜材料，直到所需的厚度。

所述制备的具有三阶非线性光学吸收效应的高质量铁电薄膜材料，应在铁电薄膜材料的价带和导带间形成一个中间能级，即缺陷能级，它的存在会给薄膜非线性光学吸收过程中电子的跃迁提供一个中间接收或发射平台。

所述的铁电薄膜材料存在缺陷能级要求铁电薄膜在给定的激光条件下发生双光子吸收效应，且薄膜材料的禁带宽度（E_g）满足：2 hν<E_g<3 hν，hν为入射光子能量。