近年,光學(xué)元器件朝著小型化與集成化的方向蓬勃發(fā)展。光纖納米線作為普通光纖微型化的產(chǎn)物,由于其低傳輸損耗,低插入損耗以及強(qiáng)倏逝場等光學(xué)特性,受到了研究者的青睞。尤其是在非線性光學(xué)領(lǐng)域,由于光纖納米線能夠?qū)⒐鈭鍪`在極小的區(qū)域內(nèi),極大地增強(qiáng)光場功率密度,使得光纖納米線迅速成為研究熱點(diǎn)。本文主要聚焦于光纖納米線中二次諧波產(chǎn)生過程相位匹配技術(shù)的研究。我們首次將基于耦合補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)位相匹配方法引入到了光纖納米線體系中。從理論,仿真與實驗三個方面系統(tǒng)地研究了光纖納米線對稱與非對稱耦合器中基于耦合補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)位相匹配方法。本文具體的研究內(nèi)容如下:(1)光纖納米線對稱耦合器中二次諧波的產(chǎn)生。我們從描述光纖納米線對稱耦合器中二次諧波產(chǎn)生過程的四波耦合方程出發(fā),推導(dǎo)了對稱耦合器中二次諧波產(chǎn)生的相位匹配條件,發(fā)現(xiàn)基頻光和倍頻光的耦合系數(shù)能夠補(bǔ)償相位失配。隨后,我們通過仿真計算了相位匹配波長與構(gòu)成對稱耦合器的光纖納米線直徑的關(guān)系。尺寸越小的耦合器具有越大的耦合系數(shù),能夠補(bǔ)償更大的相位失配,因此具有更短的相位匹配波長。我們提出了制備光纖納米線耦合器的新型工藝,在此基礎(chǔ)上,我們制備了由兩根直徑為650 nm的光纖納米線構(gòu)成的對稱耦合器來驗證我們的理論計算。實驗結(jié)果表明,該耦合器在泵浦光波長為1014 nm時實現(xiàn)了準(zhǔn)位相匹配,二次諧波產(chǎn)生效率比構(gòu)成耦合器的單根光纖納米線在同一波長處提高了4個數(shù)量級,并且該波長與我們理論預(yù)測的匹配波長一致。此外,我們還發(fā)現(xiàn),實現(xiàn)了準(zhǔn)位相匹配的二次諧波具有高達(dá)24 dB的偏振消光比。這也是光纖納米線耦合器中基于耦合補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)位相匹配方法特有的偏振性質(zhì)。(2)光纖納米線非對稱耦合器中二次諧波的產(chǎn)生。在非對稱耦合器中,由于波導(dǎo)失配也會影響耦合器中等效強(qiáng)度光柵的周期,因此波導(dǎo)失配量也能夠補(bǔ)償基頻光和倍頻光的相位失配。本文首先解析求解了非對稱耦合器中二次諧波產(chǎn)生過程的四波耦合方程,總共得到了 12個不同的基于耦合補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)位相匹配條件。這12個相位匹配條件中有6個條件可以在波導(dǎo)失配為0時轉(zhuǎn)化為對稱耦合器中的那3個準(zhǔn)位相匹配條件,另外6個條件只有在非對稱耦合器中才能有效地實現(xiàn)二次諧波高效率的產(chǎn)生。隨后,我們研究了非對稱耦合器的波導(dǎo)失配對其相位匹配能力以及匹配后二次諧波產(chǎn)生效率的影響。我們發(fā)現(xiàn),非對稱耦合器的不對稱度的增加一方面能夠使得耦合器可以補(bǔ)償更大的相位失配,另一方面又會降低匹配后二次諧波的產(chǎn)生效率,因此在實際使用中需要衡量非對稱耦合器波導(dǎo)失配的大小。最后,我們進(jìn)行了初步的驗證性實驗。實驗中制備了一個由兩根直徑為700 nm±20 nm的光纖納米線構(gòu)成的非對稱耦合器。該耦合器在泵浦光波長為1128 nm時實現(xiàn)了效率最高的二次諧波產(chǎn)生,這與理論預(yù)測一致。然而,其它的二次諧波增強(qiáng)峰的位置與理論預(yù)測的匹配波長不能夠一一對應(yīng),因此實驗方面有待進(jìn)一步研究。(3)耦合器中準(zhǔn)位相匹配波長的調(diào)諧。由于耦合系數(shù)會參與相位匹配過程,因此我們調(diào)節(jié)耦合系數(shù)的大小就能夠使得不同波長實現(xiàn)相位匹配。為了實現(xiàn)最大范圍的準(zhǔn)位相匹配波長的調(diào)諧,我們提出了改變耦合器中兩根光纖納米線的間距來大范圍調(diào)諧相位匹配波長的方法。理論上,這種方法能夠?qū)⒉ㄩL從耦合器的準(zhǔn)位相匹配波長調(diào)節(jié)至單根光纖納米線的模間相位匹配波長處。在一個由兩根直徑為700 nm±5 nm的光纖納米線構(gòu)成的非對稱耦合器中,隨著兩根光纖納米線間距從0 nm增加至450 nm,相位匹配波長可從886 nm調(diào)諧至1388 nm,波長調(diào)諧范圍大于500 nm。耦合器能夠提供越大的相位補(bǔ)償,基于耦合補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)位相匹配波長與單根光纖納米線的模間相位匹配波長相差就越大,改變兩根光纖納米線間距的方法就能夠?qū)崿F(xiàn)越大范圍的波長調(diào)諧。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN253
【部分圖文】：

雙包層光纖，多芯光纖，光子晶休光纖，空心光纖，微結(jié)構(gòu)光纖和微納逡逑光纖等［１０－１６丨。這些不同結(jié)構(gòu)光纖的出現(xiàn)使得光纖成為一個實驗平臺，能夠用于逡逑觀察各種各樣的物理效應(yīng)以及增強(qiáng)光和物質(zhì)相互作用。圖１．１展示了一些類型的逡逑微結(jié)構(gòu)光纖。總之，各式各樣的光纖的出現(xiàn)極大地豐富了以光纖為核心器件的應(yīng)逡逑用領(lǐng)域，包括光纖傳感器，光纖激光器，光纖成像系統(tǒng)，光纖光譜儀等［１７－２０１。逡逑ＨＨｒ＊］逡逑圖１．１不同種類的微結(jié)構(gòu)光纖丨１２－１６丨。逡逑１逡逑

雙包層光纖，多芯光纖，光子晶休光纖，空心光纖，微結(jié)構(gòu)光纖和微納逡逑光纖等［１０－１６丨。這些不同結(jié)構(gòu)光纖的出現(xiàn)使得光纖成為一個實驗平臺，能夠用于逡逑觀察各種各樣的物理效應(yīng)以及增強(qiáng)光和物質(zhì)相互作用。圖１．１展示了一些類型的逡逑微結(jié)構(gòu)光纖�？傊魇礁鳂拥墓饫w的出現(xiàn)極大地豐富了以光纖為核心器件的應(yīng)逡逑用領(lǐng)域，包括光纖傳感器，光纖激光器，光纖成像系統(tǒng)，光纖光譜儀等［１７－２０１。逡逑ＨＨｒ＊］逡逑圖１．１不同種類的微結(jié)構(gòu)光纖丨１２－１６丨。逡逑１逡逑

的采用：Ｍ火加熱拉制法制備的光纖納米線的結(jié)構(gòu)如圖１．３所示。：兩端的單模光纖尾纖，中間的均勻腰區(qū)以及腰區(qū)與尾纖連接的種光纖納米線具有獨(dú)特的光學(xué)性能以及優(yōu)異的機(jī)械性質(zhì)，主要包：逡逑輸損耗Ｕ連接損耗逡逑１０邋—邐？邋Ｍｅｔｈｏｄ邋１逡逑■邋Ｍｅｔｈｏｄ邋２逡逑▲邋Ｍｅｔｈｏｄ邋３逡逑Ｅ邋１邋‘邋■邐￣邐邐逡逑Ｉ邐＊邋？逡逑３邋ｏ邋．ｉ邐邐邐邐逡逑Ｂ邐？邐？邐＊逡逑＇邋■邋１邋？邋？邋？逡逑Ｊ邋０．０１邐．邐．．———■■■邋■邋■邋■邋■逡逑■邋■邋＿逡逑＿丨邋．邋Ｉ邋▲■■■■Ｉ逡逑１００邐２００邐３００邐４００邐５００邐６００逡逑ａｓｒａｕｓｎｍ

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