超快光开关用大非线性一维铜氧链氧化物量子点玻璃的研究

The quantum confinement of electron-hole motion in copper-based oxides with one-dimensional space can enhance anomalously the third-order nonlinear susceptibility, which can be achieved 10-8~10-5esu. Ultrafast optical switch prepared by Sr2CuO3 or Ca2CuO3 quantum dot glasses with one-dimensional Cu-O chain makes it possible to produce ultrafast nonlinear optical response under operation of low-energy laser, which will be of great applications in the all-optical communications and photonic computer field. Therefore, the research of Cu-based oxide quantum dots glass with one-dimensional Cu-O chain structure is of great significance. The design of components of the oxide quantum dot glass containing one-dimensional Cu-O chain prepared by using both sol-gel and atmosphere control methods will be studied on the project. The microstructure and formation mechanism of quantum dots and the valence state of Cu ions in quantum dot glass will be investigated in detail. In order to establish the relationship between quantum dots glass containing Cu-O chain and the third-order nonlinear optical properties, the third-order nonlinear optical parameters will be studied under different laser power and different laser wavelength especially in the window of communication with nanosecond, picosecond and femtosecond measurement conditions respectively. And the Figure of Merit of quantum dots glass will be investigated also. The theoretical results from the quantum dots glass in the field of all-optical switching application will be shown.

电子和空穴在具有一维电子结构的铜基氧化物限域空间的运动会使其三阶非线性光学极化率有异常大的增强，可达到10-8~10-5 esu.。利用含有一维铜氧链的Sr2CuO3、Ca2CuO3等量子点玻璃制作超速光开关，将有可能在低能量激光的作用下产生超快非线性光学响应，在全光通信和光子计算机领域具有巨大的应用前景。因此开展一维Cu-O链结构的铜基氧化物量子点玻璃的研究具有重要意义。本项目侧重该类量子点玻璃的组分设计，利用sol-gel法，通过控制烧结气氛，制备含有一维Cu-O链结构的氧化物量子点玻璃，研究量子点在玻璃中的微结构及其形成机理,控制量子点玻璃中Cu离子的价态,比较纳秒、皮秒和飞秒测试条件下不同激光功率、不同激光波长下尤其在通讯窗口下的非线性光学性质，研究该量子点玻璃的品质因子，建立含有Cu-O链量子点玻璃与三阶非线性光学特性的关系。为该类量子点玻璃在全光开关领域的应用提供理论支持。

非线性光学材料主要可分为有机类和无机类，常见的有机类非线性光学材料普遍存在不稳定，以及制备工艺相对复杂等缺点。铜基材料，尤其是含有Cu-O链的铜酸盐材料，由于其结构中的电子在限域内运动以及自旋电子耦合分离等原因，导致有大的光学非线性极化率和快的响应时间，吸引了越来越多的注意。为此，我们制备了一系列含有Cu、铜氧化物以及含Cu-O链的非线性光学材料，研究了其非线性增强的机理。我们采用溶胶凝胶法合成了含有三种不同价态的Cu、Cu2O、CuO的量子点玻璃，Ca-Cu掺杂的量子点玻璃，给出了掺杂的浓度、制备工艺、以及在不同的气氛中控制Cu及其氧化物的价态方法；采用了XRD、TEM、EELS、XPS等对不同价态铜基量子点玻璃的价态、相、组分进行了综合的分析与讨论，研究了玻璃的形成机理；利用Z-scan比较了不同价态铜基量子点玻璃的非线性的大小，探讨非线性机理。采用高温固相、丝网印刷结合低温的共烧结技术制备了含有Cu-O链的Ca2CuO3微晶玻璃膜材料；通过对不同温度、不同抛光时间Ca2CuO3微晶玻璃膜材料的综合分析和比较，我们发现抛光120 min Ca2CuO3微晶玻璃膜的非线性光学材料具有很大的增强。我们利用同样的方法制备了Sr2CuO3材料，发现90min 抛光的Sr2CuO3微晶玻璃膜的非线性也得到了很大的增强；我们采用射频磁控溅射技术制备了同样含有Cu-O链的复合材料CaCuO2/CaCu2O3薄膜，通过利用XRD、XPS、TEM以及SEM、Uv-vis、Z-scan等对退火前后的薄膜材料的相、质量以及三阶非线性进行了综合的比较，退火前的薄膜基本是非晶态物质，退火后形成了CaCuO2/CaCu2O3薄膜，而且退火后的薄膜的质量和非线性都得到了很大的提高。综上所述，我们研究了一系列合成方法简单、产物相对稳定的、拥有较大光学非线性的铜基以及含有Cu-O链的材料的方法，研究了其非线性增强机理，为非线性光学材料的规模化生产奠定基础。