准相位匹配铌酸锂波导全光波长转换研究

摘要

本文主要研究了周期极化铌酸锂晶体在非线性光学变频领域的应用——准相位匹配铌酸锂波导全光(型)波长转换。非线性光学材料在光波长转换方面有着广泛的应用空间。在这些非线性光学材料中，铌酸锂晶体及掺杂铌酸锂晶体具有优良的非线性光学性质，目前已经成为很多科学家在研究非线性光学变频时的首选晶体材料。本文采用准相位匹配技术对光波在铌酸锂波导中耦合产生的相位失配进行补偿，目的是优化设计试验、进一步提高的光波长转换效率。 论文的主要内容包括以下几个方面：1.综述了准相位匹配、全光波长转换的基本情况及研究进展。 2.对准相位匹配全光波长转换的基本理论进行了系统分析，如倍频，和频、差频、级联二次非线性等非线性。 3.研究了周期极化铌酸锂光波导的制作工艺，实验中使用的周期极化铌酸锂光波导采用外加电场极化法使铌酸锂按照要求进行周期极化，进而采用质子交换法制作光波导。 4.对周期极化高掺镁铌酸锂倍频过程进行了准相位匹配倍频理论研究，并在室温下通过外加电场极化法，率先用较低的极化开关电场～5.5kV/mm，在厚为0.5mm、长为10mm、宽为10mm的掺镁铌酸锂基片上成功地制备了周期为5.8～7.3μm(间隔0.3μm)的一阶准相位匹配倍频周期极化光学微结构；将温度控制在70℃左右，以波长为1.064μm的Nd：YAG激光为基频光源，对所研制的光学微结构样品进行倍频通光实验验证，当入射基频光为920mW时，可以获得约15mW的532nm准连续倍频蓝光输出，其归一化转换效率高达1.77％/W。 5.对周期极化LiNbO3(PPLN)光波导实现准相位匹配和频效应波长转换进行了理论研究，得出了提高准相位匹配和频效应全光波长转换效率的有效途径，为准相位匹配全光波长转换器的研制提供了理论指导。 6.对基于级联和频差频非线性效应铌酸锂光波导全光波长转换器进行了理论研究。首先建立了级联和频差频铌酸锂光波导全光波长转换器的理论模型；然后给出了波导中光相互作用的耦合模方程；继而利用逐步法详细推导了耦合模方程的解，得出物理意义清晰的转换光功率表达式，最后分析了非线性晶体相互作用长度、泵浦光功率对转换效率的影响，为级联和频差频铌酸锂光波导全光波长转换器优化设计提供了理论依据。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1准相位匹配技术简介

1.2全光波长转换简介

1.3全光波长转换发展现状

1.4小结

第二章准相位匹配全光波长转换基本原理

2.1麦克斯韦方程组及光学非线性特性

2.2耦合波方程

2.3准相位匹配基本原理

2.4二次谐波产生

2.5和频产生

2.6差频产生

2.7级联倍频差频

2.8级联和频差频

2.9小结

第三章周期极化铌酸锂光波导的制备研究

3.1铌酸锂晶体物理性质

3.2周期极化铌酸锂晶片的制备

3.2.1 LiNbO3晶体单畴化

3.2.2周期极化反转铌酸锂光栅的设计

3.2.3外加电场极化法制备周期极化铌酸锂晶体

3.3周期极化铌酸锂光波导制备

3.3.4退火质子交换的机理

3.3.5退火质子交换条形光波导的制备

3.4小结

第四章准相位匹配周期极化掺镁铌酸锂倍频准连续输出研究

4.1理论分析

4.1.1倍频小信号近似分析

4.1.2聚焦高斯光束倍频分析

4.2实验

4.3小结

第五章准相位匹配铌酸锂波导和频效应波长转换理论研究

5.1理论分析

5.2光波导制作

5.3讨论

5.3.1PPLN波导长度对转换效率的影响

5.3.2光栅周期∧对转换效率的影响

5.3.3泵浦光功率对转换效率的影响

5.4小结

第六章准相位匹配级联二阶非线性全光波长转换研究

6.1理论分析

6.2耦合波方程求解

6.3光波导制作设计

6.4数值分析与讨论

6.4.1转换效率与相互作用长度的关系

6.4.2转换效率与泵浦功率的关系

6.4.3转换效率与两泵浦光波长之差的关系

6.4.4信号转换带宽

6.5小结

第七章未来与展望

致 谢

参考文献

个人简历在学期间发表的学术论文与研究成果