中紅外光憑借其獨(dú)特的光譜特性廣泛應(yīng)用于大氣通信、激光雷達(dá)、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域,然而高性能中紅外光源大都由分立器件組成,需要對(duì)準(zhǔn)和精準(zhǔn)調(diào)節(jié),穩(wěn)定性不高且難以集成,不能適應(yīng)新型激光器小尺寸、低功耗、大規(guī)模集成的發(fā)展趨勢(shì)。本文針對(duì)目前中紅外激光器的缺陷,提出基于光波導(dǎo)中三次諧波效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生中紅外激光的方法,并設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)緊湊、易于大規(guī)模集成的非線性光波導(dǎo)結(jié)構(gòu),并將其應(yīng)用于中紅外三次諧波的產(chǎn)生。本文從光學(xué)非線性諧波產(chǎn)生的理論出發(fā),推導(dǎo)了光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中描述三次諧波產(chǎn)生過(guò)程的一般性耦合非線性薛定諤方程組,分析得出決定波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中三次諧波轉(zhuǎn)換效率的三個(gè)關(guān)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(dǎo)結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上利用數(shù)值方法研究了波導(dǎo)中三次諧波過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)換與波導(dǎo)損耗、相位匹配條件以及模式交疊的內(nèi)在聯(lián)系,進(jìn)一步優(yōu)化了波導(dǎo)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(dǎo)用以實(shí)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(diǎn),通過(guò)波導(dǎo)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(shí)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(guò)進(jìn)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(jìn)一步獲得中紅外諧波,基于金屬對(duì)光場(chǎng)良好的束縛能力,我們?cè)O(shè)計(jì)了一種金屬-半導(dǎo)體-金屬狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)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(chǎng)可以被嚴(yán)格約束在兩個(gè)銀層之間的鍺狹縫區(qū)域中。與此同時(shí),金屬也帶來(lái)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(jìn)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(guò)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(guò)進(jìn)一步優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu),在泵浦光功率為1 W時(shí),實(shí)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(dǎo)具備較大的制備容差和波長(zhǎng)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(dǎo)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(xué)位單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)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(zhǎng)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(shí)部大于零，這時(shí) CdO 呈現(xiàn)介質(zhì)增加，介電常數(shù)的實(shí)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(fù)數(shù)，根據(jù)第二章中對(duì)于金屬

圖 3.2 聚合物加載型表面等離子體波導(dǎo)三維結(jié)構(gòu)示意圖3.2 波導(dǎo)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(dǎo)結(jié)構(gòu)中的傳播模式。設(shè)定波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)為 HD=1.5 μm，ωD=3000 nm，HC=2.4 μm，通過(guò)全矢量有限元方法仿真軟件COMSOLMultiphysics得到波長(zhǎng)為4650nm和1550nm時(shí)，該聚合物加載型表面等離子體波導(dǎo)中長(zhǎng)波長(zhǎng)與短波長(zhǎng)基模的模場(chǎng)分布如圖 3.3 所示。其中波長(zhǎng)為 4650 nm 中紅外光和波長(zhǎng) 1550 nm 近紅外光在該波導(dǎo)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(zhǎng)為中紅外波段時(shí)，由于 CdO 此時(shí)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(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng)，沿 Y 軸方向上場(chǎng)強(qiáng)呈現(xiàn)指數(shù)衰減

圖 3.3 (a)4650 nm 泵浦波基模的電場(chǎng)分布和(b)1550 nm 三次諧波基模的電場(chǎng)分布在該波導(dǎo)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?jī)山Y(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)模式效折射率的影響，我們分別固定 DDMEBT 波導(dǎo)厚度 HD=1.5 μm 或 DDMEBT 波寬度 ωD=3000 nm，來(lái)研究?jī)煞N波長(zhǎng)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(hào)：2809199