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有机材料的非线性光学特性的理论研究

作　者: 孙元红
导　师: 王传奎
学　校: 山东师范大学
专　业: 原子与分子物理
关键词: 双光子吸收 双光子聚合机理 溶剂效应 氢键效应 非线性极化率
分类号: O437
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
下　载: 372次
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内容摘要


非线性光学研究物质与强光之间的相互作用,它是随着激光器的诞生而迅速发展起来的一门新兴学科。它作为现代光学的一个重要分支,越来越受到人们的广泛关注。近几十年来,非线性光学在现代激光技术、光学通讯、数据储存、光信息处理等方面显示出诱人的应用前景,使得寻找非线性光学特性强而响应速度极快的新型材料成为这一领域的主要课题之一。由于有机分子非线性光学材料具有大的非线性光学系数,宽的响应波段、良好的柔韧性、高的光损伤阈值和较低成本,以及易于合成、可以进行裁减和修饰等特点而备受重视。本论文主要是基于从头计算的量子化学理论,利用各种不同的理论和计算方法,研究了一系列实验室最新合成的有机分子的线性和非线性光学性质,讨论了分子的结构与特性之间的关系。并且研究了溶剂对分子的几何结构和光学性质的影响。另外,通过分析分子在气相时电荷转移态的电荷转移过程,对双光子聚合机理给出了合理的解释。本文的主要工作分为两大部分:第一部分研究了一系列一维和多维有机分子在气相下的单光子和双光子吸收性质;第二部分讨论了溶剂效应对分子结构和非线性光学性质的影响。下面简要介绍本论文研究的主要内容与结果。一、气相下有机分子的单光子和双光子吸收特性。1、一维有机分子的单光子和双光子吸收特性。在密度泛函理论(DFT)的水平上,利用少态模型方法计算了一系列D ? π? A,D ? π? D, A ? π? A型有机分子的单、双光子吸收截面。对一维有机分子,只用少数几个态便可以较好地反映出分子在低激发态下的最大双光子吸收特性。研究结果显示,对于一维D ? π? A型不对称电荷转移分子,其最大的单光子和双光子跃迁都发生在第一激发态,而对于一维D ? π? D和A ? π?A型对称电荷转移分子,其最大的单光子和双光子吸收态不处于同一个激发态。并分析了增大分子的双光子吸收截面的微观机制。通过增加分子基态与激发态之间的跃迁偶极矩之差?μ,增大分子态态间的跃迁偶极矩μij,和使得分子的各跃迁偶极矩矢量之间处于平行或反平行,有利于提高分子的双光子吸收强度。另外,通过分析一系列有机分子的

全文目录


中文摘要  6-9
ABSTRACT  9-14
第一章 综述  14-18
  1.1 非线性光学简介  14-15
  1.2 非线性光学与非线性光学材料研究进展  15-17
    1.2.1 非线性光学研究进展  15-16
    1.2.2 非线性光学材料研究进展  16-17
  1.3 论文的研究背景及主要内容  17-18
第二章 从头计算的量子化学理论  18-30
  2.1 从头计算法  18
  2.2 波恩-奥本海默近似  18-19
  2.3 Hartree-Fock 近似  19-23
    2.3.1 Hartree 近似  19-20
    2.3.2 Fock 近似  20-23
  2.4 密度泛函理论  23-26
    2.4.1 Hohenberg--Kohn 定理  23-25
    2.4.2 Kohn--Sham 方程  25-26
  2.5 交换关联泛函  26-30
    2.5.1 局域密度近似  27-28
    2.5.2 几种常用的交换相关近似简介  28-30
第三章 含时微扰理论  30-38
  3.1 理论背景  30-32
  3.2 单光子吸收  32-34
  3.3 双光子与三光子吸收  34-35
  3.4 非线性极化率  35-38
第四章 计算方法  38-45
  4.1 态求和方法  38
  4.2 少态模型方法  38-40
  4.3 有限场方法  40
  4.4 解析求导法  40-41
  4.5 响应理论方法  41-45
    4.5.1 响应函数  41-42
    4.5.2 响应函数的留数  42-43
    4.5.3 双光子跃迁矩阵元  43-44
    4.5.4 三光子跃迁矩阵元  44-45
第五章 溶剂效应  45-52
  5.1 理论模型  45-48
    5.1.1 离散模型  45
    5.1.2 连续介质模型  45-48
  5.2 非线性光学特性的溶剂效应  48-52
    5.2.1 溶剂中分子的非线性光学特性  48-50
    5.2.2 量子力学模型  50-52
第六章 分子单、双光子吸收特性的计算结果与讨论  52-100
  6.1 有机材料的双光子吸收  52-54
  6.2 分子结构和名称  54-59
  6.3 计算步骤  59
  6.4 一维 D-π-A 型分子的线性和非线性光学特性  59-71
    6.4.1 PVPHC和 DPVPA分子的线性和非线性光学特性  59-66
    6.4.2 EPVPC 和 OPVPC 分子的线性和非线性光学特性  66-71
  6.5 一维 D-π-D 型分子的线性和非线性光学特性  71-75
  6.6 一维 A-π-A型分子的线性和非线性光学特性  75-78
  6.7 多维树枝状有机分子的双光子吸收截面  78-96
    6.7.1 多维树枝状有机分子的双光子吸收截面的研究进展  78-85
    6.7.2 Y2,Y10,Y11 分子的线性和非线性光学特性  85-89
    6.7.3 TPPA和 TPVPA分子的线性和非线性光学特性  89-92
    6.7.4 二-(苯乙烯基)苯系列衍生物的线性和非线性光学特性  92-96
  6.8 双光子聚合机理  96-100
    6.8.1 引言  96-97
    6.8.2 双光子聚合机理  97-100
第七章 分子双光子吸收特性的溶剂效应  100-115
  7.1 极化连续模型  100-110
    7.1.1 计算步骤  100
    7.1.2 溶剂对BPYPA 分子线性和非线性光学特性的影响  100-106
    7.1.3 溶剂对BPPBA 分子线性和非线性光学特性的影响  106-110
  7.2 Onsager 响应场模型  110
  7.3 半经典理论方法  110-115
第八章 分子极化率的溶剂效应  115-125
  8.1 引言  115-116
  8.2 氢键效应对分子结构和性质的影响  116-122
    8.2.1 理论方法和模型  117
    8.2.2 几何结构  117-120
    8.2.3 电荷分布  120-121
    8.2.4 能量飘移  121-122
  8.3 溶剂效应对分子静态线性和非线性极化率的影响  122-125
    8.3.1 理论方法和模型  122
    8.3.2 静态线性极化率  122-123
    8.3.3 静态一阶非线性超极化率  123-125
第九章 总结与展望  125-128
参考文献  128-133
攻读博士学位期间完成的论文  133-136
致谢  136

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 光学 > 非线性光学（强光与物质的作用）
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