【摘要】：超連續(xù)譜(supercontinuum,SC)具有頻譜寬、亮度高、相干性好等優(yōu)良特性,在很多基礎(chǔ)和應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在中紅外波段,高相干、倍頻程SC一直吸引著科研人員的研究興趣,并且隨著激光器及新材料工藝的發(fā)展,對SC的研究也越來越深入。與此同時,一些新的應(yīng)用也對超連續(xù)譜性能提出了更高要求。IV族元素,包括硅(Si)、鍺(Ge)及其衍生物,因其在近紅外至中紅外波段的非線性應(yīng)用潛力而受到極大的關(guān)注。其中,Si的透明窗口在2.2 μm至8.5 lμm的中紅外區(qū)域,而Ge的透明窗口為1.5 μm至14.3μpm。同樣,硫族化物,包括硫化砷(As2S3)、硒化砷(As2Se3)等,具有較高的非線性系數(shù)和超寬的透明窗口,也引起了科研人員的關(guān)注。光頻梳(optical frequency comb,OFC)則是由一系列均勻間隔且具有相位相干的頻率分量組成的光譜,因其良好的穩(wěn)定性而在天文、物理、通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。頻率梳的產(chǎn)生有很多方法,基于SC的頻率梳是當前主要的研究方向之一。本文分別使用Ge和As2Se3作為波導(dǎo)材料,設(shè)計了不同的波導(dǎo)結(jié)構(gòu),并利用其研究了高相干、倍頻程SC和頻率梳的產(chǎn)生。研究內(nèi)容和創(chuàng)新性成果如下:1.介紹了SC和光頻梳的在現(xiàn)代光學(xué)中的地位。推導(dǎo)了光在波導(dǎo)中傳輸和演化的非線性方程,并分析了色散和非線性在SC產(chǎn)生過程中的影響。2.設(shè)計了基于Ge的T形波導(dǎo),分析了波導(dǎo)尺寸對波導(dǎo)的色散和非線性特性的影響。在波長3000 nm(正常色散區(qū))處泵浦,分別研究了脈沖的峰值功率、初始脈寬和噪聲對SC產(chǎn)生的影響。仿真結(jié)果表明,當脈寬為120 fs,峰值功率為800 W時,在波導(dǎo)中傳輸4 mm之后,產(chǎn)生的高相干SC在-60 dB下譜寬的范圍超過兩個倍頻程(,1.6μm～6.8μm)。3.設(shè)計了基于As2Se3的T形和L形波導(dǎo),分析了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和尺寸對色散和非線性特性的影響。仿真結(jié)果表明,L波導(dǎo)的色散曲線可呈現(xiàn)多零色散點、平坦的特性。通過在波長3000 nm(反常色散區(qū))處泵浦,研究了脈沖的峰值功率對SC產(chǎn)生的影響。仿真結(jié)果表明,當脈寬為120 fs,峰值功率為800 W時,在波導(dǎo)中傳輸5 mm之后,產(chǎn)生的SC在-60 dB下譜寬的范圍超過三個倍頻程(1.3 μm～12.9 μm)。進一步研究了引入的弱連續(xù)波(CW)對SC相干性的影響。4.研究了基于高相干、倍頻程SC的頻率梳。仿真結(jié)果表明,初始脈沖序列在Ge波導(dǎo)中傳輸4 mm或As2Se3波導(dǎo)中傳輸5 mm之后,分別可以獲得1.6 μm～6.8 μm和1.3 μm～12.9 μm的中紅外頻率梳。本文設(shè)計了基于Ge和As2Se3的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、并利用其研究了高相干、倍頻程SC和頻率梳的產(chǎn)生。相關(guān)研究成果能夠積極地推動中紅外非線性光子學(xué)的研究與發(fā)展。
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN252
【圖文】：

所以這個方法叫對稱分步傅里葉法。脈沖在非線性介質(zhì)中傳輸?shù)恼麄�過逡逑程被劃分成了有限多個長度為Ａ的區(qū)間。光脈沖在非線性介質(zhì)傳輸相當于從頭到逡逑尾依次經(jīng)歷這些長度為Ａ的小段。如圖２－１所示，脈沖每次進入一個小段，在前逡逑辦／２的區(qū)域，我們假設(shè)脈沖只受到色散效應(yīng)的影響，在后Ａ／２的區(qū)域即２邋＋Ａ／２開逡逑始，我們假設(shè)脈沖只受到非線性效應(yīng)的影響。這樣的好處是計算非常容易，前Ａ／２逡逑的區(qū)域只用計算ＦＦＴ算法，后／？／２的區(qū)域只用乘以非線性項即可。逡逑１０逡逑

３．２．１邋ＩＶ族元素和常見的非線性材料逡逑設(shè)計的波導(dǎo)是基于Ｇｅ材料的Ｔ形結(jié)構(gòu)，Ｔ形波導(dǎo)在Ｓｉ中曾有過相關(guān)的研逡逑究。如圖３－１邋（ａ）和（ｂ）展示的Ｔ形結(jié)構(gòu)和Ｌ形結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)，都是以Ｓｉ為波導(dǎo)逡逑傳輸核心，紅水晶（Ａｈ0３）作為襯底，通過合理的設(shè)計，可以產(chǎn)生在Ｓｉ的整個逡逑透明窗口內(nèi)的超連續(xù)譜。逡逑圖３－丨（ａ）邋Ｔ形－硅波導(dǎo)的示意圖（ｂ）邋Ｌ形－硅波導(dǎo)的示意圖逡逑一般而言，波導(dǎo)的完整色散包含材料色散和波導(dǎo)色散，且主要受到折射率和逡逑波導(dǎo)尺寸的影響。Ｇｅ的折射率在常見的非線性材料中幾乎是最大的，圖３－２邋（ａ）逡逑給出了常見非線性材料的折射率曲線，可見Ｇｅ的折射率在其透明窗口的折射率逡逑都大于４．０，比Ｓｉ的折射率還要高出很多。較大的折射率差可以讓Ｇｅ在色散剪逡逑裁上具有很大的靈活性。逡逑圖３－２邋（ｂ）給出了常見非線性材料在近紅外和中紅外區(qū)域的材料色散，材料逡逑色散被表示為Ｄ邋＝邐／ａＭ２），其中是材料的折射率，Ａ和ｅ分別代逡逑表波長和真空中的光速�？偟膩碚f

（ｂ）常見材料的材料色散（ｃ）常見材料的非線性折射羋逡逑３．２．２波導(dǎo)設(shè)計與色散及非線性分析逡逑圖３－３邋（ａ）所示的波導(dǎo)，Ｔ形核心的材料是Ｇｅ，襯底采用了邋Ｓｉ３Ｎ４，波導(dǎo)的逡逑具體尺寸表示為：條形薄膜的寬和高分別為化，和風(fēng)，支撐柱的高為粕。因為條逡逑形薄膜的尺寸較人，而且Ｔ形結(jié)構(gòu)使得Ｇｅ材料主要與空氣接觸從而獲得很大的逡逑折射率差，所以波導(dǎo)的能量束縛能力很好。圖３－３邋（ｂ）是波Ｖ？尺＼ｌ邋Ｆｕ邋＝邋６邋（ｉｉｎ，逡逑／／ｕ邋＝邋１．０邋｜ｊｍ，Ｚ／ｉ邋＝邋１．０邋｜＿ｉｍ時，波導(dǎo)分別波長為２、４、７、１０邋（？ｉｍ處的ＴＥ模的模逡逑場分布，可以看到，波導(dǎo)在波長為１０邋Ｍｍ處，能量限制依然很好。逡逑在進行波導(dǎo)設(shè)計時，為了得到低、平坦的色散，波導(dǎo)色散會被盡可能的被抑逡逑制。圖３－３邋（ｃ）是改變條形薄膜高度（札）長度時，色散曲線的變化情況，可以逡逑看出

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本文編號：2784034