中紅外光憑借其獨特的光譜特性廣泛應用于大氣通信、激光雷達、醫(yī)療設備等領域,然而高性能中紅外光源大都由分立器件組成,需要對準和精準調(diào)節(jié),穩(wěn)定性不高且難以集成,不能適應新型激光器小尺寸、低功耗、大規(guī)模集成的發(fā)展趨勢。本文針對目前中紅外激光器的缺陷,提出基于光波導中三次諧波效應來產(chǎn)生中紅外激光的方法,并設計了兩種結(jié)構(gòu)緊湊、易于大規(guī)模集成的非線性光波導結(jié)構(gòu),并將其應用于中紅外三次諧波的產(chǎn)生。本文從光學非線性諧波產(chǎn)生的理論出發(fā),推導了光波導結(jié)構(gòu)中描述三次諧波產(chǎn)生過程的一般性耦合非線性薛定諤方程組,分析得出決定波導結(jié)構(gòu)中三次諧波轉(zhuǎn)換效率的三個關鍵因素:相位匹配條件、介質(zhì)材料的三階非線性極化率、泵浦波與三次諧波之間的模式重疊積分。然后基于表面等離子體激元形成原理,提出了兩種滿足諧波產(chǎn)生條件的光波導結(jié)構(gòu),在此基礎上利用數(shù)值方法研究了波導中三次諧波過程中能量的轉(zhuǎn)換與波導損耗、相位匹配條件以及模式交疊的內(nèi)在聯(lián)系,進一步優(yōu)化了波導結(jié)構(gòu)。本文首先提出了一種聚合物加載型的表面等離子體波導用以實現(xiàn)4650 nm中紅外至1550 nm近紅外的三次諧波轉(zhuǎn)換。利用金屬氧化物材料氧化鎘(CdO)在中紅外和近紅外波段分別呈現(xiàn)金屬特性和一般電介質(zhì)特性的特點,通過波導中表面等離子體傳播模式和普通光子模式之間的相互耦合作用,實現(xiàn)了泵浦波基模與三次諧波基模之間的相位匹配,并通過進一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,在峰值功率為100 W,脈寬為100 fs的泵浦光脈沖作用下,獲得了8.7×10~(-5)的三次諧波轉(zhuǎn)換效率。為了進一步獲得中紅外諧波,基于金屬對光場良好的束縛能力,我們設計了一種金屬-半導體-金屬狹縫波導結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)10.2μm到3.4μm中紅外的三次諧波轉(zhuǎn)換,由于在中紅外波段金屬銀介電常數(shù)非常大,因此光場可以被嚴格約束在兩個銀層之間的鍺狹縫區(qū)域中。與此同時,金屬也帶來了巨大的傳播損耗,使得傳播損耗成為了限制轉(zhuǎn)換效率進一步提升的主要限制因素,而不再是傳統(tǒng)的相位匹配條件。在這種情況下,我們通過泵浦波基模和諧波基模之間的三次諧波轉(zhuǎn)換,從而獲得更大的非線性系數(shù)。通過進一步優(yōu)化波導結(jié)構(gòu),在泵浦光功率為1 W時,實現(xiàn)了轉(zhuǎn)換效率為9.1×10~(-4)的中紅外三次諧波。此外,該波導具備較大的制備容差和波長偏移容限,且在低溫下能保持良好的穩(wěn)定性。本文所提出的非線性光波導有望為大規(guī)模集成的中紅外光源提供一條潛在的途徑。
【學位單位】：中國地質(zhì)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN21
【部分圖文】：

圖 3.1 氧化鎘（CdO）材料介電常數(shù)隨波長的變化規(guī)律我們可以發(fā)現(xiàn) CdO 的材料介電常數(shù)在近紅外到中紅外波段有著，在近紅外波段材料介電常數(shù)實部大于零，這時 CdO 呈現(xiàn)介質(zhì)增加，介電常數(shù)的實部明顯降低，虛部逐漸增大，在中紅外波段到 CdO 材料介電常數(shù)明顯下降為負數(shù)，根據(jù)第二章中對于金屬

圖 3.2 聚合物加載型表面等離子體波導三維結(jié)構(gòu)示意圖3.2 波導中相位匹配條件分析首先我們研究 4650 nm 的中紅外光和 1550 nm 近紅外光在該波導結(jié)構(gòu)中的傳播模式。設定波導結(jié)構(gòu)參數(shù)為 HD=1.5 μm，ωD=3000 nm，HC=2.4 μm，通過全矢量有限元方法仿真軟件COMSOLMultiphysics得到波長為4650nm和1550nm時，該聚合物加載型表面等離子體波導中長波長與短波長基模的模場分布如圖 3.3 所示。其中波長為 4650 nm 中紅外光和波長 1550 nm 近紅外光在該波導中傳播的有效折射率分別為 1.7964 + 0.017709i 和 1.7843 + 8.7246×10-4i。從圖 3.3(a)中可以看出波長為中紅外波段時，由于 CdO 此時呈現(xiàn)金屬特性，在 CdO 和 DDMEBT 表面形成表面等離子體模式，在表面場強最強，沿 Y 軸方向上場強呈現(xiàn)指數(shù)衰減

圖 3.3 (a)4650 nm 泵浦波基模的電場分布和(b)1550 nm 三次諧波基模的電場分布在該波導結(jié)構(gòu)中，在保證 CdO 基底體積足夠大的情況下，可能影響模式有效射率的參數(shù)為 DDMEBT 的厚度 HD和寬度 ωD，為了分別研究兩結(jié)構(gòu)參數(shù)對模式效折射率的影響，我們分別固定 DDMEBT 波導厚度 HD=1.5 μm 或 DDMEBT 波寬度 ωD=3000 nm，來研究兩種波長下的有效折射率隨 ωD或 HD的變化規(guī)律，如

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本文編號：2809199