本發(fā)明屬于非線性光學(xué)，具體涉及一種金納米薄膜非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的動(dòng)態(tài)調(diào)控方法。

背景技術(shù)：

1、金納米薄膜，具有獨(dú)特的表面等離激元共振特性，使其在光學(xué)、傳感、光電子學(xué)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。表面等離激元共振是金屬納米材料中表面自由電子與入射光電場(chǎng)集體共振產(chǎn)生的。與半導(dǎo)體或透明電介質(zhì)材料相比，金納米薄膜中，光與自由電子的耦合產(chǎn)生了更顯著的場(chǎng)增強(qiáng)和超快的時(shí)間響應(yīng)，從而極大地增強(qiáng)了金納米薄膜的非線性光學(xué)響應(yīng)。

2、非線性光學(xué)是強(qiáng)光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。在低強(qiáng)度光作用下，材料的光學(xué)響應(yīng)與電場(chǎng)振幅呈線性關(guān)系。而在高強(qiáng)度光作用下，光與物質(zhì)相互作用變得更加復(fù)雜，導(dǎo)致了諸如自聚焦、孤子、高次諧波等非線性效應(yīng)。金納米薄膜對(duì)光的強(qiáng)吸收特性，使得自由電子被有效激發(fā)，這種強(qiáng)烈的光吸收在導(dǎo)帶內(nèi)產(chǎn)生非平衡電子布居，從而導(dǎo)致其較高的三階非線性，也稱為kerr非線性。這種kerr非線性表現(xiàn)為折射率實(shí)部和虛部隨光強(qiáng)的變化，分別對(duì)應(yīng)非線性折射和非線性吸收。非線性折射對(duì)應(yīng)于光場(chǎng)在材料中傳播時(shí)相位隨強(qiáng)度的依賴關(guān)系，導(dǎo)致光場(chǎng)的自聚焦或自散焦效應(yīng)；非線性吸收對(duì)應(yīng)于材料的吸收與強(qiáng)度的依賴關(guān)系，導(dǎo)致材料的可飽和吸收、反飽和吸收等效應(yīng)的發(fā)生。金納米薄膜的kerr非線性光學(xué)特性在超短脈沖激光產(chǎn)生、全光信號(hào)處理和超快光開關(guān)等方面起著重要作用。

3、在金納米薄膜中引入非線性光學(xué)性質(zhì)動(dòng)態(tài)調(diào)控功能，將極大地拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。但金屬中自由電子密度過高(nb約為5.9×1022cm-3)，很難被調(diào)控。一種有效的方法是制備超薄金膜(厚度為t)，其表面自由電子密度ns＝nbt，當(dāng)超薄金膜厚度僅為幾納米時(shí)，其表面電子濃度可降至約1016cm-2量級(jí)，甚至更低。這樣，利用外部調(diào)控即可有效調(diào)節(jié)其表面電子濃度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)超薄金膜光學(xué)性質(zhì)的調(diào)控。但目前，制備超薄的連續(xù)金膜仍然存在較大的困難。并且，利用電調(diào)控動(dòng)態(tài)調(diào)制金納米薄膜的非線性吸收系數(shù)和非線性折射率還沒有報(bào)道。

4、因此，探索金納米薄膜非線性光學(xué)性質(zhì)的動(dòng)態(tài)調(diào)控方法具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中金納米薄膜非線性光學(xué)性質(zhì)難以動(dòng)態(tài)調(diào)控的問題，本發(fā)明提供了一種金納米薄膜非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的動(dòng)態(tài)調(diào)控方法，是將金納米薄膜的光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)相結(jié)合，提出基于電熱效應(yīng)，利用直流電壓調(diào)制金納米薄膜的電子-聲子散射以及其光阻尼系數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)制金納米薄膜非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的目的。

2、本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種金納米薄膜非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的動(dòng)態(tài)調(diào)控方法，具體包括如下內(nèi)容：利用物理氣相沉積技術(shù)在石英玻璃片上蒸鍍金納米薄膜，在金納米薄膜兩端連接金屬導(dǎo)線電極，并接入直流電源，構(gòu)成電回路；通過改變直流電源的電壓，由于焦耳熱效應(yīng)，金納米薄膜的溫度隨著電壓的增加而升高，使金納米薄膜中電子-聲子散射幾率增大，進(jìn)而調(diào)節(jié)其光阻尼系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)金納米薄膜非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的動(dòng)態(tài)調(diào)控。

4、進(jìn)一步地，所述物理氣相沉積技術(shù)包括真空熱蒸發(fā)、磁控濺射或真空離子鍍膜。

5、進(jìn)一步地，通過改變直流電源的電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)金納米薄膜非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的動(dòng)態(tài)調(diào)控，具體包括如下內(nèi)容：

6、通過逐漸增加直流電源的電壓，金納米薄膜的溫度會(huì)隨著電壓的增加而升高，并利用z掃描裝置測(cè)試不同電壓下，金納米薄膜的z掃描曲線，得到不同電壓下的金納米薄膜的非線性吸收系數(shù)和非線性折射率。

7、進(jìn)一步地，所述改變直流電源電壓的范圍為0～10v，對(duì)應(yīng)的金納米薄膜表面溫度調(diào)節(jié)范圍為299～353k。

8、進(jìn)一步地，所述改變直流電源電壓的范圍為0～10v，對(duì)應(yīng)的金納米薄膜光阻尼系數(shù)變化范圍為85.5～98.3mev。

9、進(jìn)一步地，所述直流電源的電壓從0v升高至10v時(shí)，對(duì)應(yīng)的金納米薄膜非線性吸收系數(shù)從-10×10-5m/w變化至-5.98×10-5m/w，金納米薄膜非線性折射率從-10×10-12m2/w變化至-6.73×10-12m2/w。

10、進(jìn)一步地，所述調(diào)控方法，具體包括如下步驟：

11、步驟一：首先，將石英玻璃片依次用丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗，并在真空干燥箱中干燥；然后，用真空蒸發(fā)鍍膜儀在所述石英玻璃片上蒸鍍一層銅薄膜作為晶種層；最后，再利用真空蒸發(fā)鍍膜儀在所述銅薄膜的位置蒸鍍一層金薄膜，得到金納米薄膜；

12、步驟二：將兩根金屬導(dǎo)線分別置于步驟一所制備的金納米薄膜兩端，并在接觸點(diǎn)滴加導(dǎo)電銀膠，待其在空氣中自然干燥；之后，將上述金納米薄膜集成的兩根金屬導(dǎo)線接入直流電源，構(gòu)成閉合回路。

13、進(jìn)一步地，步驟一中，所述石英玻璃片的尺寸為30mm×30mm×1mm；清洗時(shí)間為10～30分鐘，干燥時(shí)間為2～4小時(shí)，所述銅薄膜的尺寸為17mm×3.5mm，蒸鍍銅薄膜的速度為所述金薄膜的尺寸為17mm×3.5mm，蒸鍍金薄膜的速度為

14、進(jìn)一步地，步驟一中，所述蒸鍍銅薄膜的厚度為1～5nm，蒸鍍金薄膜的厚度為10～50nm。

15、進(jìn)一步地，步驟一中，所得到的金納米薄膜的形狀為長(zhǎng)方形，短邊長(zhǎng)范圍為2～8mm，長(zhǎng)邊長(zhǎng)范圍為10～30mm。

16、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下：

17、1、本發(fā)明的一種金納米薄膜非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的動(dòng)態(tài)調(diào)控方法，是將金納米薄膜光、電、熱學(xué)性質(zhì)相結(jié)合，通過調(diào)節(jié)施加在金納米薄膜的電壓，改變金納米薄膜的溫度，以及金納米薄膜中電子-聲子散射幾率與光阻尼系數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)金納米薄膜非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的動(dòng)態(tài)調(diào)制，結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡(jiǎn)單，成本低廉，可集成于光電子器件中進(jìn)行基于電調(diào)控的動(dòng)態(tài)光調(diào)制；

18、2、本發(fā)明所制備的金納米薄膜不需要復(fù)雜的光刻等技術(shù)，工藝流程簡(jiǎn)單，適用范圍廣泛。

技術(shù)特征：

1.一種金納米薄膜非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的動(dòng)態(tài)調(diào)控方法，其特征在于，具體包括如下內(nèi)容：利用物理氣相沉積技術(shù)在石英玻璃片上蒸鍍一層金納米薄膜，在金納米薄膜兩端連接金屬導(dǎo)線電極，并接入直流電源，構(gòu)成電回路；通過改變直流電源的電壓，由于焦耳熱效應(yīng)，金納米薄膜的溫度隨著電壓的增加而升高，使金納米薄膜中電子-聲子散射幾率增大，進(jìn)而調(diào)節(jié)其光阻尼系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)金納米薄膜非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的動(dòng)態(tài)調(diào)控。

2.如權(quán)利要求1所述的一種金納米薄膜非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的動(dòng)態(tài)調(diào)控方法，其特征在于，所述物理氣相沉積技術(shù)包括真空熱蒸發(fā)、磁控濺射或真空離子鍍膜。

3.如權(quán)利要求1所述的一種金納米薄膜非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的動(dòng)態(tài)調(diào)控方法，其特征在于，通過改變直流電源的電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)金納米薄膜非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的動(dòng)態(tài)調(diào)控，具體包括如下內(nèi)容：

4.如權(quán)利要求1所述的一種金納米薄膜非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的動(dòng)態(tài)調(diào)控方法，其特征在于，所述改變直流電源電壓的范圍為0～10v，對(duì)應(yīng)的金納米薄膜表面溫度調(diào)節(jié)范圍為299～353k。

5.如權(quán)利要求1所述的一種金納米薄膜非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的動(dòng)態(tài)調(diào)控方法，其特征在于，所述改變直流電源電壓的范圍為0～10v，對(duì)應(yīng)的金納米薄膜光阻尼系數(shù)變化范圍為85.5～98.3mev。

6.如權(quán)利要求1所述的一種金納米薄膜非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的動(dòng)態(tài)調(diào)控方法，其特征在于，所述直流電源電壓從0v升高至10v時(shí)，對(duì)應(yīng)的金納米薄膜非線性吸收系數(shù)從-10×10-5m/w變化至-5.98×10-5m/w，金納米薄膜非線性折射率從-10×10-12m2/w變化至-6.73×10-12m2/w。

7.如權(quán)利要求1所述的一種金納米薄膜非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的動(dòng)態(tài)調(diào)控方法，其特征在于，所述調(diào)控方法，具體包括如下步驟：

8.如權(quán)利要求7所述的一種金納米薄膜非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的動(dòng)態(tài)調(diào)控方法，其特征在于，步驟一中，所述石英玻璃片的尺寸為30mm×30mm×1mm；清洗時(shí)間為10～30分鐘，干燥時(shí)間為2～4小時(shí)，所述銅薄膜的尺寸為17mm×3.5mm，蒸鍍銅薄膜的速度為0.5～所述金薄膜的尺寸為17mm×3.5mm，蒸鍍金薄膜的速度為0.3～

9.如權(quán)利要求7所述的一種金納米薄膜非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的動(dòng)態(tài)調(diào)控方法，其特征在于，步驟一中，所述蒸鍍銅薄膜的厚度為1～5nm，蒸鍍金薄膜的厚度為10～50nm。

10.如權(quán)利要求7所述的一種金納米薄膜非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的動(dòng)態(tài)調(diào)控方法，其特征在于，步驟一中，所得到的金納米薄膜的形狀為長(zhǎng)方形，短邊長(zhǎng)范圍為2～8mm，長(zhǎng)邊長(zhǎng)范圍為10～30mm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種金納米薄膜非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的動(dòng)態(tài)調(diào)控方法，屬于非線性光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，該方法是利用物理氣相沉積技術(shù)在石英玻璃片上蒸鍍一層金納米薄膜，在金納米薄膜兩端連接金屬導(dǎo)線電極，并接入直流電源，構(gòu)成電回路；通過改變直流電源的電壓，由于焦耳熱效應(yīng)，金納米薄膜的溫度隨著電壓的增加而升高，使金納米薄膜中電子?聲子散射幾率增大，進(jìn)而調(diào)節(jié)其光阻尼系數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)金納米薄膜非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的動(dòng)態(tài)調(diào)控。本發(fā)明是將金納米薄膜的光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)相結(jié)合，提出基于電熱效應(yīng)，利用直流電壓調(diào)制金納米薄膜的電子?聲子散射以及光阻尼系數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)制金納米薄膜非線性吸收系數(shù)和非線性折射率的目的。

技術(shù)研發(fā)人員：秦冠仕,呂昶見,賈志旭,孟凡超,秦偉平
受保護(hù)的技術(shù)使用者：吉林大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/14