铂/钯纳米粒子的线性及非线性光学性质研究

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表面等离子共振(SPR)是金属纳米粒子表面的自由电子气团处于外电磁场中时表现出集体振荡的现象。SPR的局部电场增强会影响非线性光学的主要指标光学克尔极化率χ(3),在可见光波段,因表面等离子共振产生非线性的金属,以金、银、铜纳米粒子为典型代表。但有些金属虽然等离子共振吸收峰在紫外波段,却在可见光波段仍然呈现出比较好的非线性光学特性,代表金属是铂和钯。为进一步了解铂、钯纳米粒子的光学特性,本文利用时域有限差分法(FDTD)研究了铂钯纳米粒子的线性光学性质;利用Z扫描技术、泵浦-探测技术研究了铂钯纳米粒子的非线性吸收和超快动力学过程,具体工作如下:1.铂钯纳米粒子的线性光学性质研究采用FDTD仿真研究了球状、棒状的铂钯纳米粒子的光学性质。分析了半径、轴向长度和横纵比等因素对铂、钯纳米棒的横纵向的SPR的影响;比较了相同尺寸下钯纳米棒与金纳米棒、铂纳米棒的轴向长度对纵向的SPR的影响,发现钯纳米棒对SPR调控性更好;比较了铂钯纳米粒子的棒和球两种结构,发现棒状结构在宽带调谐SPR方面更具优势;提出了一种利用钯纳米棒修饰金膜以提高光纤表面等离子共振传感器灵敏度的方法。用铂钯纳米棒实现SPR宽光谱调谐为滤光片、生物传感器、制氢等方面的设计提供了一种新思路。仿真工作的进行可以为下一步铂钯纳米粒子的制备和非线性光学性质研究提供理论指导。2.铂纳米粒子的非线性光学性质和超快动力学采用多波长(500~700 nm)多激励的纳秒开孔Z扫描技术对SPR在紫外波段的铂纳米粒子的非线性吸收特性进行研究。烧蚀法制备的铂纳米粒子(直径25 nm±2 nm),在752μJ、1088μJ、1388μJ三个激发能量下,从距离SPR(226 nm)的远近来观察非共振波长对非线性吸收的影响。结果表明,铂纳米粒子的激发波长远离SPR,依旧产生饱和吸收(SA)和反饱和吸收(RSA)现象,并且非线性吸收的大小与激发波长和能量有关。在激发波长不变时,随着激发能量的增加,铂纳米粒子发生SA向RSA的转化;在激发能量不变时,随着激发波长靠近SPR,铂纳米粒子发生SA向RSA的转化。采用飞秒泵浦-探测技术对铂纳米粒子在400 nm飞秒激光激励下的能量弛豫动力学过程进行研究。结果表明,其动力学过程由时间常数为850 fs的快衰变和时间常数为9 ps的慢衰变两部分组成,快衰变是电子-声子耦合过程的结果,慢衰变是声子-声子耦合过程的结果。3.钯纳米粒子的非线性光学性质采用了多波长(500~650 nm)多激励的纳秒开孔Z扫描技术研究处于非共振波长的钯纳米粒子的非线性吸收特性。水浴法制备钯纳米粒子(直径16 nm±2 nm),在630μJ、730μJ、752μJ三个激发能量下,观察非共振波长与SPR(286 nm)的远近对非线性吸收的影响。结果表明,钯纳米粒子与铂纳米粒子具有相似的实验结论,SA和从SA到RSA的转化发生与否,取决于激发波长和激发能量。铂钯同为过渡金属,相比于铂纳米粒子,在多波长多激励下,在非共振区产生SA和RSA的现象时,钯纳米粒子需要的激发能量小。铂钯纳米粒子的非共振波长的非线性吸收特性为系统研究铂钯的非线性光学性质提供补充。
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