微米尺寸铌酸锂晶体回音廊模式微腔的制备及其非线性光学研究

摘要

回音廊模式微腔由于具有品质因数高、模式体积小等诸多优异特性，受到了研究人员的广泛关注。基于回音廊模式微腔目前已经开展了诸如倍频、参量震荡、受激布里渊/拉曼散射等非线性光学效应的研究。铌酸锂晶体作为一种常用的非线性光学晶体，是开展回音廊模式微腔中非线性光学研究的良好选择。目前通过机械研磨抛光的方法加工毫米尺寸铌酸锂回音廊模式微腔的技术已经相对成熟，但是由于铌酸锂晶体具有很高的抗化学刻蚀性，高品质因数的微米尺寸铌酸锂回音廊模式微腔的制备仍是一个难点。
　　本文研究的主要内容为微米尺寸铌酸锂晶体微腔的制备及其非线性光学效应。首先，对回音廊模式微腔尤其是铌酸锂回音廊模式微腔的研究进展进行了简要介绍;接下来，对回音廊模式微腔的基本理论和实验方法进行了介绍。在本文的主体部分，介绍了铌酸锂晶体微腔的制备、表征及其非线性光学效应的理论研究。具体如下:
　　1、通过离子注入辅助湿法刻蚀的方法制备底切刻蚀铌酸锂微盘腔。利用光学显微镜和扫描电子显微镜对制备的微腔进行了表征。目前，尚未得到理想的底切刻蚀，原因可能是离子注入束流较大。
　　2、通过脉冲激光沉积技术，在反楔形二氧化硅微盘腔上沉积铌酸锂薄膜的方法制备了铌酸锂二氧化硅复合腔。利用扫描电子显微镜、原子力显微镜、掠入射X射线衍射对微腔进行了表征。对锥形光纤耦合的微腔的透射谱进行了测量，得到的微腔品质因数达到105。利用有限元方法对微腔的本征模式进行了数值模拟。
　　3、基于耦合矩阵理论和非线性耦合模理论，研究了微米尺寸铌酸锂微腔中二次谐波和参量震荡过程。分析了耦合强度以及泵浦光强对非线性转换效率的影响。数值估算了二次谐波效率最大时所需的泵浦光强和参量震荡过程的泵浦阈值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

第一节 引言

第二节 铌酸锂回音廊模式微腔的发展历史及研究现状

第三节 本文的研究内容及结构安排

第二章 回音廊模式微腔基本理论

第一节 回音廊模式微腔中的模式分布

第二节 回音廊模式微腔的主要参数

2．2．1 谐振波长(频率)和自由光谱范围FSR

2．2．2 品质因数Q

2．2．3 模式体积V

2．2．4 精细度F

第三节 品质因数Q的测量方法

2．3．1 腔衰荡谱法

2．3．2 线宽法

第四节 微腔耦合方法

第五节 本章小结

第三章 底切刻蚀铌酸锂微盘腔的制备与表征

第一节 铌酸锂微盘腔制备的实验方案

3．1．1 离子注入参数的选择

3．1．2 紫外光刻掩膜版的设计方案

3．1．3 底切刻蚀铌酸锂微盘腔的制作原理

第二节 铌酸锂微盘腔的加工流程

第三节 铌酸锂微盘腔的表征

第四节 横向刻蚀效果不理想的原因分析

第五节 本章小结

第四章 铌酸锂二氧化硅复合腔的制备与表征

第一节 铌酸锂二氧化硅复合腔的制备

4．1．1 反楔形二氧化硅微盘腔的制备

4．1．2 脉冲激光沉积制备铌酸锂薄膜

第二节 铌酸锂二氧化硅复合腔的表征

第三节 本章小结

第五章 回音廊模式微腔中二次谐波和参量震荡过程的基本理论

第一节 微腔波导耦合体系的耦合矩阵理论

第二节 回音廊模式微腔中的二次谐波过程

5．2．1 二次谐波效率解析表达式的推导

5．2．2 微腔内二次谐波过程数值计算结果与分析

第三节 回音廊模式微腔中的参量震荡过程

5．3．1 参量震荡效率解析表达式的推导

5．3．2 微腔内参量震荡过程数值计算结果与分析

第四节 泵浦光强和阈值的数值估算

第五节 本章小结

第六章 总结与展望

第一节 工作总结

第二节 工作展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果