激光驱动的红色和黄色分散偶氮染料的非线性光学性质及密度泛函理论(DFT)分析

时间:2026年5月24日
来源:Optik

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M.Y. Shubar | H.L. Saadon | M.A. Rahma 激光应用研究实验室,巴斯拉大学理学院物理系,伊拉克巴斯拉 摘要 利用532纳米的连续波(CW)激光束,通过激光驱动的空间自相位调制(SSPM)技术研究了分散偶氮染料(Red 1、Red 19和Yel

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M.Y. Shubar | H.L. Saadon | M.A. Rahma
激光应用研究实验室,巴斯拉大学理学院物理系,伊拉克巴斯拉

摘要

利用532纳米的连续波(CW)激光束,通过激光驱动的空间自相位调制(SSPM)技术研究了分散偶氮染料(Red 1、Red 19和Yellow 7)的非线性光学特性。染料的非线性折射率变化取决于衍射环(DR)图案的数量。分子结构采用B3LYP/6–31 G(d,p)基组进行了优化。实验结果表明,在不同的输入激光功率和染料浓度下,这些染料表现出较大的非线性折射率n₂和热光系数dn/dT,并产生了环状衍射图案。在CW激光照射下,研究结果显示热效应和光学非线性对染料溶液产生了影响。这些实验结果表明,所制备的染料可能是潜在光子应用的有希望的候选材料。

引言

光学非线性现象最早在上个世纪中叶随着激光的发现而被观察到[1]、[2]。它表征了高强度相干光与介质非线性之间的相互作用。为了理解这些特定于光学材料的非线性光学(NLO)现象,测量NLO参数是至关重要的。这些参数可以通过空间自相位调制(SSPM)现象来确定,该现象表明产生的激光衍射环(DR)图案会非线性地影响远场衍射。由光场引起的折射率变化是显著影响激光束在非线性材料中传播的基本因素[3]、[4]、[5]。这导致了诸如自聚焦、去聚焦和SSPM[6]、[7]等现象。在这些现象中,SSPM是一种物理过程,它导致从材料中出来的光束发生自干涉,从而形成同心衍射环。探索由激光的非线性效应产生的远场衍射图案对于研究非线性光学材料非常重要,这已成为一个重要的研究焦点[8]、[9]。这些材料在光子学和先进技术应用中展现出巨大的潜力,例如全光开关、全光限制、全光信号处理、光学安全系统等[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。随着激光技术的最新发展,非线性光学材料在现代光子技术应用中的重要性日益增加,这突显了在这一领域持续研究的必要性[18]、[19]、[20]、[21]。
偶氮染料是一类重要的合成有机化合物,其特征是至少含有一个偶氮基团(两个氮原子之间的双键,−N=N−),该基团连接两个芳香体系。它们具有较高的光吸收能力、在辐射下的稳定性以及在特定波长下发生结构变化的能力[22]、[23]、[24]。了解这些化合物的NLO特性是开发未来全光设备的基础步骤,因为它们在提高光学性能和减少噪声方面具有重要意义,从而提高了光学系统的效率。
由于具有强烈的NLO特性(包括非线性折射率和非线性吸收参数[4]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]),分散偶氮染料在全光应用中显示出巨大的潜力。所选偶氮染料具有扩展的π共轭结构和供体-受体(D–π–A)结构,促进了分子内的电荷转移,显著增强了它们的NLO响应。选择了三种染料——Disperse Red 1(DR1)、Disperse Red 19(DR19)和Disperse Yellow 7(DY7),并以溶液形式制备。使用SSPM技术观察了远场衍射环图案,并分析了衍射环数量与输入激光功率之间的相关性。通过改变染料浓度,DR1、DR19和DY7表现出较大的NLO响应。此外,还进行了密度泛函理论(DFT)计算以研究染料的电子结构。

章节摘录

分散偶氮染料的制备

分散偶氮染料(Disperse Red 1、Disperse Red 19和Disperse Yellow 7)从Sigma-Aldrich公司购买,纯度≥95%,溶解在氯仿中(纯度≥99.8%)。所有材料均未经进一步纯化使用。如图1所示,偶氮染料以0.25、0.5和1.0 mM的选定浓度溶解在氯仿中,以达到最佳染料浓度。DR1、DR19和DY7染料的化学结构如图2所示。

衍射环图案

为了研究NLO特性

紫外-可见光谱

图3展示了不同浓度(0.125、0.25、0.5和1.0 mM)下染料溶液的紫外-可见吸收光谱。研究发现,DR1、DR19和DY7染料在520 nm、440 nm和450 nm处有特定的吸收峰,这些峰归因于染料π-π*跃迁。染料的光学带隙E_g由以下公式确定[33]Eg=1240λ其中λ是波长。从紫外-可见光谱计算得到的E_g

结论

使用空间自相位调制技术研究了532纳米波长下Red 1、Red 13和Yellow 7偶氮染料的非线性折射。染料通过DFT/B3LYP方法和6–31 G(dp)基组进行了优化。分析了DR对输入强度和浓度的依赖性,从而可以估算出dn/dT和非线性折射率(n₂ ∼ 10⁻⁷ cm²/W),表明其光学行为强烈依赖于强度。观察到的衍射图案的时间衰减可以归因于

CRediT作者贡献声明

M.Y. Shubar:撰写——原始草稿。H.L. Saadon:撰写——审阅与编辑。M.A. Rahma:撰写——原始草稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

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