基于硅超表面光学三倍频的实验研究

摘要

非线性光学是现代光学的一个重要分支，主要研究介质在强光作用下产生的非线性效应。激光问世后，非线性光学得到了大力发展，并广泛应用于高速信号处理，全光逻辑操控等多个领域。光学三倍频（Third Harmonic Generatrion，THG）是一种光学非线性效应，最早在体材料中产生。THG的转换效率有多个影响因素，如体材料的非线性极化率、泵浦光的强度、光与物质的相互作用长度及相位匹配方式等。此外，用体材料产生THG需要精密的空间光学调节系统，稳定性不佳，导致THG的应用受到限制。
　　超表面是一种亚波长尺寸的微纳结构，其电磁场的近场增强效应可显著提高光与物质作用强度。采用微纳结构的超表面，即可在较低泵浦光功率下实现THG。早期，人们已经在金属纳米颗粒和金属介质混合纳米颗粒等超表面上实现了 THG。但金属存在极大的热损耗，使得 THG的转化效率不高。相较于金属材料，硅在光通信波段的线性损耗小，加工工艺符合CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）流程，是超表面的理想材料之一。
　　我们设计了一种具有高品质因子的硅超表面结构，它由对称的纺锤形硅纳米颗粒（Silicon Nanoparticles，SNPs）排列而成。这种超表面的磁谐振可以使光场紧紧地束缚在硅结构中，极大地增强局域电场，从而提高硅的三阶非线性效应。我们实验证明了超表面结构的THG转换效率大约要比平板硅高出300倍。此外，我们还发现THG的转换效率与泵浦光的偏振有关。通过调节入射光的偏振角度，其最大偏振消光比可达25 dB。通过理论分析及对实验结果的拟合，我们得出THG的转换效率与偏振角的余弦三次方函数成正比，可用来检测入射光的偏振角度。

目录

声明

1 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究内容及章节安排

1.4 本章小结

2 基本理论

2.1 非线性光学的基本原理

2.2 硅的非线性

2.3 纳米结构中谐波效率的公式表征

2.4 超表面中的磁偶极共振

2.5 本章小结

3 硅超表面结构的设计与仿真

3.1 硅超表面结构的仿真设计

3.2 硅超表面仿真结果的分析

3.3 硅超表面磁谐振原理分析

3.4 本章小结

4 硅超表面的制备与测试

4.1 硅超表面的工艺制作

4.2 硅超表面中三倍频光的测试系统搭建

4.3 超表面的测试结果分析

4.4 本章小结

5 全文总结与工作展望

5.1 本文总结

5.2 下一步工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的主要论文

附录2 论文中缩略词含义