基于表面等离子体狭缝波导的三次谐波研究

摘要

近年来，中红外波段光学凭借其在光通信和生物医学传感等领域的广泛应用激发了越来越多的研究兴趣。三次谐波在中外红领域的应用主要包括带内光信噪比探测，微米级器件几何结构成像，三维数据存储和生物材料研究等。基于此，研究基于中红外的高效三次谐波转换器件是很有必要和有意义。
　　本文对中红外及三次谐波的基本原理和应用进行了简要回顾。通过对三次谐波的基本原理以及耦合模差分方程的推导和分析引出在波导器件中产生高效三次谐波的三个关键因素。一方面利用具有高三阶非线性极化率的非线性介质材料作为三次谐波产生的主要媒介；另一方面通过合理设计波导结构参数实现泵浦波和三次谐波相位匹配；最后一方面设计特殊波导结构调整高阶模的电场分布实现大的泵浦-三次谐波模式重叠积分系数。经过调研，表面等离子体狭缝波导结构对光的限制和加强特性可以很好的同时满足上述三方面要求。表面等离子体纳米结构除了能够增强非线性效应，还能使非线性光学组件缩减至微米级别，有利于光器件芯片集成。用此类波导结构辐射三次谐波，波导的非线性参数能通过调节波导的结构参数合理控制。基于表面等离子体狭缝波导结构特性和三次谐波工作原理，本文设计几种特殊波导结构实现高效三次谐波（中红外到近红外）转换。
　　首先本论文提出了两种非对称表面等离子体狭缝波导结构。狭缝上层引入硅的主要目的包括两方面。一方面，阻止上层金属覆盖层对DDMEBT聚合物中电场的影响，使得相位匹配能够通过调节波导结构参数实现；另一方面，破坏高阶模电场分布的对称性，限制高阶模电场的负电场分量分布在硅狭缝中，提高对应的泵浦-三次谐波重叠积分系数。接着本论文利用混合狭缝波导结构导模的特殊性实现了更高效率三次谐波产生。由于高阶模负电场分量全部限制在硅平板中，三次谐波效率得到大大提高。基于非对称表面等离子体狭缝波导和混合狭缝波导的研究，本论文提出了双狭缝金属波导结构，实现了较高三次谐波转换效率，为未来设计金属纤芯光纤提供理论指导。最后，本论文详细研究了双光子吸收效应对三次谐波转换效率的影响并提出解决方案。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究意义

1.2三次谐波

1.3表面等离子体激元及表面等离子体波导

1.4国内外研究现状发展概况

1.5本论文主要研究内容

第2章 带损耗波导的三次谐波理论

2.1耦合模差分方程

2.2高效三次谐波转换的条件

2.3目前提出波导结构的优缺点

2.4本章小结

第3章 表面等离子体狭缝波导实现高效三次谐波转换

3.1非对称表面等离子体狭缝波导实现高效三次谐波转换

3.2非对称波导结构基础上提高三次谐波转换效率

3.3混合狭缝波导实现更高效三次谐波转换

3.4利用双狭缝金属波导实现三次谐波转换

3.5本章小结

第4章 双光子吸收效应对三次谐波转换效率的影响

4.1双光子吸收效应

4.2双光子吸收效应对三次谐波转换效率的影响

4.3本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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