【摘要】：隨著現(xiàn)代光子學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展,微納光子學(xué)由于其集成度高、光場(chǎng)束縛能力強(qiáng)、光功率密度大等優(yōu)點(diǎn),在光信號(hào)產(chǎn)生、光信息傳輸/通信、生物和化學(xué)傳感、光場(chǎng)調(diào)控/成像等領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。非線性光學(xué)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換是擴(kuò)寬激光頻譜的重要手段,也在信息科學(xué)、材料科學(xué)等方面有非常廣泛的應(yīng)用。非線性轉(zhuǎn)換過(guò)程的相位匹配條件則是實(shí)現(xiàn)高效光學(xué)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。得益于微納尺度對(duì)光場(chǎng)的強(qiáng)約束能力,微納尺度的光波導(dǎo)是未來(lái)低功耗、高集成非線性光學(xué)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的理想器件。然而在波導(dǎo)器件的非線性光學(xué)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中,由于材料色散的存在,孤立的單波導(dǎo)結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)光波的基模之間的相位匹配。以光學(xué)二倍頻為例,波導(dǎo)中常利用模式色散法實(shí)現(xiàn)基頻光光波基模與倍頻光高階模之間的相位匹配。而波導(dǎo)中基頻光基模與倍頻光高階模在空間分布上存在巨大的差異,直接導(dǎo)致了非線性光學(xué)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的模式重疊積分非常小,相應(yīng)的非線性轉(zhuǎn)換效率很低。本文創(chuàng)新提出利用耦合的非線性光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)基頻光基模與倍頻光基模之間的相位匹配,極大地增加了非線性光學(xué)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的模式重疊積分,從而顯著提升非線性波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的效率。本文以二階非線性光學(xué)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換過(guò)程為例,通過(guò)建立耦合光波導(dǎo)的非線性光學(xué)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換耦合模方程,厘清了耦合非線性光波導(dǎo)中的相位匹配條件,深入研究了耦合非線性光波導(dǎo)中二次諧波產(chǎn)生過(guò)程(ω_2=2_1)的相位匹配條件及影響因素,構(gòu)建了一整套耦合光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)非線性光學(xué)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的相位匹配理論。具體的工作如下:1.基于耦合非線性光波導(dǎo)的模式理論,首次獲得了耦合非線性光波導(dǎo)中二階非線性光學(xué)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的完整的六個(gè)相位匹配條件。2.在弱耦合近似條件下,建立耦合非線性光波導(dǎo)中光學(xué)二次諧波產(chǎn)生的耦合模方程。在低轉(zhuǎn)換效率的近似條件下對(duì)該方程進(jìn)行求解,得到對(duì)稱耦合光波導(dǎo)中光學(xué)二次諧波產(chǎn)生的三個(gè)相位匹配條件。并基于以上物理模型,本文詳細(xì)研究了耦合非線性光波導(dǎo)中波導(dǎo)耦合系數(shù)、泵浦光的相位因素、泵浦光的幅度因素等對(duì)光學(xué)二次諧波產(chǎn)生的影響。3.本文進(jìn)一步利用數(shù)值分析方法(四階Runge-Kutta方法)求解高轉(zhuǎn)換效率條件下耦合非線性光波導(dǎo)中光學(xué)二次諧波產(chǎn)生的非線性波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換耦合模方程,并對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果展開(kāi)了深入的討論,進(jìn)行理論模型有效性的驗(yàn)證。4.以氧化鋅微納波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為例,對(duì)比研究了單波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和耦合非線性光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中二階非線性光學(xué)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的相位匹配條件。本文發(fā)現(xiàn)基于單波導(dǎo)結(jié)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)基頻光的基模與二次諧波的高階模的相位匹配,相應(yīng)的非線性波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的模式重疊積分較低;而基于耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)基頻光的基模與二次諧波的基模的相位匹配,對(duì)應(yīng)的非線性波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的模式重疊積分比單波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的大6個(gè)數(shù)量級(jí)。本文基于耦合的非線性光波導(dǎo)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了基頻光光波基模與倍頻光基模之間的相位匹配,突破了傳統(tǒng)模式色散法中模式空間分布差異巨大的限制,極大增加了基頻光與倍頻光之間的有效模式重疊,發(fā)展了一套可集成、低能耗、高效率的非線性光學(xué)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的光子器件的新方法,極大地提高了非線性光學(xué)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的效率,將成為拓展未來(lái)相關(guān)器件研究及應(yīng)用的一個(gè)重要方向。
【圖文】：

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文中實(shí)現(xiàn)了橫向發(fā)射的光學(xué)二倍頻波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換[33, 37, 38]，并成功構(gòu)建了一系列可集成的超高靈敏度超短脈沖脈寬測(cè)量器件，如圖 1-1 所示。目前，人們已經(jīng)在 GaSe 納米帶微光纖中實(shí)現(xiàn)了低能耗、高效率的光學(xué)二次諧波波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，并構(gòu)建了可測(cè)量超短脈沖的脈寬、色散等信息的自相關(guān)儀，該平臺(tái)的泵浦光閾值可低至幾個(gè)飛焦量級(jí)[33, 37, 38]。

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文實(shí)現(xiàn)了橫向發(fā)射的光學(xué)二倍頻波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換[33, 37, 38]，，并成功構(gòu)建了一系列可集成的超高度超短脈沖脈寬測(cè)量器件，如圖 1-1 所示。目前，人們已經(jīng)在 GaSe 納米帶微光纖現(xiàn)了低能耗、高效率的光學(xué)二次諧波波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，并構(gòu)建了可測(cè)量超短脈沖的脈寬等信息的自相關(guān)儀，該平臺(tái)的泵浦光閾值可低至幾個(gè)飛焦量級(jí)[33, 37, 38]。圖 1-1 （a）單根納米線波導(dǎo)中橫向二倍頻波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換示意圖[37]；（b）GaSe 納米帶微光纖自相關(guān)儀示意圖[38]。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O437

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2697200