光折变表面波激发及其在二次谐波产生中的应用研究

摘要

光折变表面波是一种与界面相联系并可沿光折变介质表面狭层空间传播的光波,它能将光能量高度集中在光折变介质近表面从而激发或增强各种表面非线性光学现象。因此,光折变表面波在光耦合、相位匹配和集成光学等方面具有很高的应用价值。早在1995年G S Garcia Quirino等人就预言了光折变表面波,同年MarkCronin Golomb首次在钛酸钡(BaTiO3)晶体中观察到了扩散机制的光折变表面波。经过十五年的发展,人们对光折变表面波有了较为深入的了解。但对光折变表面波的激发机制、传播稳定性、以及其潜在应用等问题都还需要进一步系统研究。利用晶体非局域(扩散)非线性引起的自弯曲效应和局域(漂移)非线性引起的光束自陷的共同作用有望激发高效率的光折变表面波,亦即光折变表面孤子。这种表面孤子具有更强的稳定性和可控性。对光折变表面孤子的研究将进一步促进集成光学实用化的发展,并提供更具特色的技术。本文围绕光折变表面波激发的相关问题作了系统的研究。主要研究内容如下：
　　 (1)理论方面：深入研究了大角度入射条件下,扩散漂移机制光折变表面波的产生机制,并对外加电场和背景光等外部条件的作用和影响进行了深入分析。分析结果表明:外加电场处于某阈值之下时,增大外加电场可以减小光折变表面波的空间频率,而外加电场高于阈值时,表面波不能稳定存在；均匀背景光的作用可以使得光折变表面波的衰减变缓、贯穿深度增大；通过同时考虑扩散和漂移机制,首次预言了二维光折变表面孤子的存在,并分析了表面孤子形状与外加电场以及入射光与背景光光强比的关系；利用光束传播方法(Beam Propagation Method,BPM)模拟了扩散和漂移机制共同作用下的表面孤子传播,为实验观察表面孤子提供了有力的理论依据。
　　 (2)实验方面：实验观察了扩散漂移机制光折变表面波,并分析了外加电场和背景光在其形成中的作用；利用非局域扩散非线性引起的自偏折效应以及局域非线性引起的自聚焦效应的共同作用,首次在铌酸锶钡(SBN)晶体表面实现了光折变表面孤子的激发,实验结果与理论模拟结果完全相符；从实验上观察到光折变屏蔽孤子在界面处的多次反射和近表面震荡波的产生。
　　 (3)应用方面：在以往利用光折变表面波激发二次谐波的研究基础上,基于大角度入射的基频光形成的光折变表面波,寻求更高效率的表面波所引起的表面二次谐波产生。通过外电场和背景光的控制,实现了SBN晶体表面扩散漂移机制二次谐波的高效率激发,实验中转换效率高达83.4％/W,接近可以应用的量级；通过分析扩散机制下SBN晶体的表面波所激发表面二次谐波随外加电场和背景光的变化规律,得出结论:提高外电场和背景光有利于提高二次谐波的转换效率。
　　 本研究创新点包括：①预言了扩散和漂移机制二维光折变表面波(即表面孤子)的存在,并分析了其传播特性。②在铌酸锶钡(SBN)晶体表面实现了光折变表面孤子的激发,实验结果与理论模拟结果相符。③利用扩散漂移机制光折变表面波在SBN晶体表面实现二次谐波的高效率激发,转换效率高达83.4％/W,接近可应用量级。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第一节 光折变表面波的研究目的和意义

1.1.1 问题的提出

1.1.2 选题背景

第二节 光折变表面波综述

1.2.1 光折变表面波及其特点

1.2.2 光折变表面波研究进展

1.2.3光折变表面波的应用进展

第三节 本文研究内容及结构安排

1.3.1 本论文研究内容

1.3.2 论文结构安排

参考文献

第二章 基础理论

第一节 光折变效应简介

2.1.1 光折变效应的原理及特点

2.1.2 带输运模型

第二节 光折变表面波简介

2.2.1 光折变表面波振子模型

2.2.2 扩散机制光折变表面波理论

第三节 铁电铌酸锶钡晶体结构与特性

2.3.1 铁电晶体的概念

2.3.2 铌酸锶钡品体的结构

2.3.3 SBN晶体的生长及极化

2.3.4 SBN晶体基本的物理性质、光学性质

本章小结

参考文献

第三章 光折变表面波激发理论

第一节 引言

第二节 扩散漂移机制光折变表面波理论

3.2.1 理论模犁

3.2.2 模拟分析

3.2.3 结论

第三节 光折变表面孤子理论

3.3.1 理论模型

3.3.2 计算结果

3.3.3 结论

第四节 二次谐波产生理论

3.4.1 二次谐波产生原理

3.4.2 波导中的二次谐波的相位匹配

3.4.3 二次谐波产生机制

本章小结

参考文献

第四章 光折变表面波激发实验

第一节 引言

第二节 SBN晶体扩散漂移机制光折变表面波实验

4.2.1 实验设计

4.2.2 外加电场对表面波的影响

4.2.3 均匀背景光对表面波的影响

4.2.4 结论

第三节 SBN晶体光折变表面孤子的激发

4.3.1 引言

4.3.2 光折变表面孤子的激发

4.3.3 结论

本章小结

参考文献

第五章 光折变表面波在二次谐波产生中的应用

第一节 引言

第二节 利用光折变表面波激发二次谐波

5.2.1 实验设计

5.2.2 实验结果

5.2.3 原理分析

5.2.4 结论

第三节 外电场及背景光对二次谐波激发的影响

5.3.1 实验设计

5.3.2 实验结果

5.3.3 讨论

5.3.4 结论

本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

第一节 论文总结

第二节 工作改进设想与建议

第三节 前景与展望

致谢

个人简历在学期间发表的学术论文与研究成果