利用Z-scan和DFT方法研究了三芳基甲烷染料在各种溶剂中的增强型非线性光学特性

《Optics & Laser Technology》：Enhanced nonlinear optical characteristics of triarylmethane dye in various solvents using Z-scan and DFT method

本研究考察了酸蓝9染料在不同溶剂中的三阶非线性光学特性，通过开孔和闭孔Z扫描实验揭示了自聚焦现象及饱和/逆饱和吸收行为，结合DFT计算验证了溶剂效应对超极化率的影响，为NLO应用提供了理论依据。

　　

Mohammad Ahmad Wadaan | Nawaf D. Almoutiri | Rohith Ramasamy | Rajadurai Vijay Solomon | A.G. Bharathi Dileepan | Madhappan Santhamoorthy | S. Jeyaram

生物产品研究主席，沙特阿拉伯利雅得国王沙特大学科学学院动物学系，邮政信箱2455，11451

摘要

本研究报道了三芳基甲烷染料Acid Blue (AB) 9在不同溶剂中的三阶非线性光学（TONLO）特性。AB 9染料在所选溶剂中表现出显著的非线性光学性质，其中DMSO的非线性光学响应尤为强烈。可饱和吸收（SA）和反向可饱和吸收（RSA）解释了开孔（OA）Z扫描结果中观察到的正负非线性现象。在所有溶剂中，AB 9染料的闭孔（CA）Z扫描结果显示出透射率先升高后降低的曲线，这表明了自聚焦现象。AB 9染料的非线性折射率（NRI）和非线性吸收系数（NAC）分别约为10^?7 cm²/W和10^?3 cm/W，而三阶非线性光学易感性（χ³）约为10^?7 esu。采用多元线性回归分析来测量溶剂对溶质分子的影响。通过DFT计算研究了AB 9染料在各种溶剂环境中的电子结构特性。基于优化的几何结构，还计算了其非线性光学性质，包括线性极化率（α）、一阶超极化率（β）和二阶超极化率（γ）。这些理论预测与实验观察结果吻合良好，为AB 9染料在先进非线性光学应用中的潜力提供了宝贵的见解。

引言

近年来，由于在光学开关、光通信、光数据存储、光相位共轭、光计算、光限制等领域的多种科学和技术应用，非线性光学领域受到了广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]。在这方面，材料在非线性光学中起着关键作用。自从Franken及其团队发现二次谐波产生[5]以来，许多材料因其潜在的非线性光学应用而被研究[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。在各种感兴趣的材料中，具有共轭结构的有机化合物因其快速响应时间、显著的三阶非线性、分子灵活性和结构稳定性而一直受到青睐[13]、[14]、[15]。此前已有许多材料被记录下来，并且它们展示了显著的非线性光学性能[16]、[17]、[18]、[19]。此外，包括查尔酮衍生物、席夫碱化合物、有机晶体、有机染料等多种有机化合物也积极参与了非线性光学研究[20]、[21]、[22]。在各种有机材料中，有机染料在过去三十年中被证明是很好的选择[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。有机染料相比其他材料具有许多优势，例如由于其π电子系统的离域性，它们通常表现出较高的三阶非线性光学易感性（χ³）和快速响应时间。这使得它们在双光子吸收、光克尔效应和自相位调制等非线性过程中非常高效。有机染料通常具有超快响应时间（在飞秒到皮秒范围内），非常适合高速光开关和信号处理。它们的结构可以通过化学修饰来微调吸收/发射波长、极化率和其他光学特性，从而更容易设计出针对特定波长或非线性光学过程的专用材料。与无机材料相比，有机染料通常成本较低，且可以使用相对简单和可扩展的方法合成。有机染料在紫外区域通常具有强吸收，这有利于非线性光学中的光与物质相互作用。由于其可加工性，染料可以用于柔性、薄膜和集成光子器件中，这对于现代光电应用至关重要[28]。溶剂环境对增强有机染料的非线性特性起着关键作用[29]、[30]、[31]、[32]。材料的非线性光学特性经常受到结构改变和溶质-溶剂相互作用的影响[33]、[34]。溶剂的光谱特性，包括溶剂极化率、氢键供体、氢键受体、介电增强等，都参与了这种相互作用。本文报道了使用乙醇、甲醇、丙酮、1-丙醇、DMF和DMSO对AB 9染料非线性光学特性的影响。计算研究还用于研究溶解在不同溶剂中的溶质的一阶和二阶极化率。

材料与方法

本研究中使用的AB 9染料和溶剂均来自Merck India Ltd公司，无需进一步纯化即可使用。染料在所有溶剂中的摩尔浓度均为0.01 mM。其分子结构如图1所示，分子式为C₃₇H₄₂N₄O₉S₃。

XRD分析

使用Cu Kα射线（λ = 1.5406?）在室温下对AB 9染料的晶体性质和结构特征进行了粉末X射线衍射（XRD）分析，2θ范围为5–100°C，如图2所示。在2θ ≈ 13.43°处出现强烈的低角度反射，对应于（002）平面，表明存在长程分子有序性和层状堆叠，这是芳香族磺化染料的典型特征。

结论

使用波长为650 nm的低功率连续波（CW）激光研究了AB 9染料在各种溶剂中的三阶非线性光学（TONLO）特性。开孔（OA）和闭孔（CA）Z扫描测量显示出了自聚焦行为，以及可饱和吸收（SA）和反向可饱和吸收（RSA）。非线性吸收行为的溶剂依赖性转变归因于溶剂极化率的差异。非线性折射率（NRI，n₂）和非线性吸收系数（NAC，β）分别约为10^?7 cm²/W和10^?3

CRediT作者贡献声明

Mohammad Ahmad Wadaan：概念构思。 Nawaf D. Almoutiri：概念构思。 Rohith Ramasamy：DFT计算及其验证。 Rajadurai Vijay Solomon：计算部分的审阅和编辑。 A.G. Bharathi Dileepan：方法论。 Madhappan Santhamoorthy：方法论。 S. Jeyaram：方法论、撰写、审阅和编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢沙特阿拉伯利雅得国王沙特大学的Ongoing Research, Funding program- Research Chairs (ORF-RC-2025-0900)项目提供的支持。