外加电场和温度对铌酸锂器件光学性质的影响

摘要

基于铌酸锂晶体的集成光学器件具有良好的光学性质。钛扩散铌酸锂光波导的损耗低、导波性能良好，掺铒铌酸锂晶体具有很好的光吸收和发射特性。从电光以及温度感应器件的角度来讲，铌酸锂器件通常工作在外加电场或者温度不断变化的环境中，因此研究环境电场与温度对铌酸锂器件光学性质的影响具有一定理论以及实践意义。本论文首先研究了z切同成分钛扩散铌酸锂条形光波导在不同的电场强度作用下，光波导的传输特性。其次，探讨了x切掺铒铌酸锂晶体在不同的温度作用下，铒离子的频率上转换荧光特性。
　　本论文主要有以下工作：
　　一、搭建测量系统，表征外加电场作用下电场强度幅值与光波导传输特性之间的关系。首先运用功率计记录在不同电场强度下光强的输出值，发现如下现象：电场强度从0到150V/mm变化的过程中，输出光强从-30dBm衰减到环境噪声量级，此时在电场的反方向调整耦合光纤位置，可以使输出光强逐渐恢复至-30dBm附近。运用端面耦合系统结合CCD记录在不同电场强度下光波导的近场模式图样，发现如下现象：电场强度从0到150V/mm变化的过程中，模斑强度不断减弱直至消失，此时在电场的反方向上调整耦合光纤位置，可以重新观测到模斑，模斑强度接近在无电场作用下的模斑强度，通过拟合发现这时的模场分布仍然保持深度上的厄密高斯分布、宽度上的高斯分布。分析实验现象得知在外加电场的作用下，铌酸锂晶体表面发生了逆压电效应，导致光波导的模场分布在电场的反方向上不断发生平移，同时它的分布形式与模场尺寸保持不变，这种平移导致耦合光纤与光波导的模场匹配程度减小，造成耦合损耗增加，因而模斑强度下降。当在电场的反方向上调整端面耦合系统时，耦合光纤与光波导的模场重新匹配，达到最佳耦合，因此模斑强度得以恢复。
　　二、搭建测量系统，研究温度对铒离子的上转换荧光强度的影响。分析掺铒铌酸锂晶体980nm的上转换发射光谱图样，得知随着温度的升高，掺铒铌酸锂晶体的峰值与积分上转换光强均会发生衰减，在温度从21℃到57℃的变化过程中，对于所发射的波长为530nm，560nm和670nm的光来说，上转换强度分别下降了26％，42%，34%，对温度具有较高的敏感性。这说明利用所发射的530nm,560nm和670nm光设计温度传感器是可行的。此后通过实验验证了掺铒铌酸锂晶体的中红外发射光光强与温度变化之间的关系，发现在温度从24℃到54℃的变化过程中，峰值发射强度减少了约78%，是绿色上转换荧光发射强度变量的一倍，说明掺铒铌酸锂晶体的中红外发射具有更好的温度敏感特性，中红外发射强度随温度改变量较大，因此比绿色上转换荧光更适合用于制作温度传感器。
　　通过上述分析发现，在外加电场的作用下，光波导的模场分布会沿着平行于外加电场的方向发生平移。此外，通过改变光波导的外加电场强度幅值，同时保持端面耦合系统中耦合光纤与光波导的相对位置，可以实现光强输出从最大值到趋近于零的调制，使光强趋近于零所需的最低外加电场强度是150V/mm，这种光强调制过程类似于光开关效应，因此通过改变光波导的外加电场来制作光开关器件在一定程度上是可行的，本课题对于未来进一步探究光波导型强度调制器有一定意义。同时，在温度作用下，掺铒铌酸锂晶体980nm的上转换发射光强会随着温度的升高发生衰减，衰减量对温度具有较高的敏感性，可以应用于温度传感器的设计，同时本实验探究了利用中红外发射制作温度传感器的可能性，对于深入研究掺铒铌酸锂晶体的温度传感器有一定意义。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 集成光学器件

1.3 光波导器件

1.4 铌酸锂光波导

1.5 本论文的工作和意义

第二章 晶体结构与压电效应

2.1晶体宏观物理性质与晶体对称性

2.2 铌酸锂晶体的结构与物理性质

2.3 压电效应与逆压电效应

第三章 铒离子的频率上转换荧光特性

3.1 铒离子的光谱特性

3.2 频率上转换荧光原理

3.3 基于铒离子频率上转换绿色荧光的温度传感器的原理

第四章 外加电场作用下钛扩散铌酸锂光波导传输特性

4.1 光波导的传输特性

4.2钛扩散铌酸锂条形光波导的表征

4.3 系统搭建与测量结果

4.4 理论分析

4.5 本章小结

第五章 温度作用下铒离子频率上转换荧光特性的实验研究

5.1 样品的制备

5.2实验系统搭建与测量结果

5.3应用前景与系统改进

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢