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激光在畴反转光学超晶格中的传输、控制和频率变换研究

作　者: 孔艳
导　师: 夏宇兴；陈险峰
学　校: 上海交通大学
专　业: 光学
关键词: 光学超晶格准位相匹配(QPM) 非线性频率转换电光效应遗传算法(GA)
分类号: O437
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

自上世纪90年代以来,随着光学超晶格的制备工艺日趋成熟和完善,准位相匹配技术在多种材料中得以实现。光学超晶格材料的应用已从最初实现倍频发展到混频以及光脉冲整形和压缩等多种非线性光学应用领域。超晶格结构也从一维推广到二维,从周期结构推广到准周期结构,甚至是复杂的非周期结构,从而使得光学超晶格参与的非线性耦合过程变的更加复杂。且近年来,随着激光技术在现代光学技术发展中的作用越来越重要,对激光的强度、脉宽、波长范围等提出了更新、更高的要求。尤其是拓宽激光输出波长范围,最常用、最有效的方法之一就是利用光学超晶格晶体的频率变换技术。本文根据铌酸锂光学超晶格材料的特有物理特性,即通过对其自发极化方向的改变,使其非线性系数和电光系数发生调制,通过对光学超晶格的结构设计实现对激光的偏振、强度、脉宽以及频率等参数调谐。主要内容如下:1.晶体畴反转技术是光学超晶格制备的基础。本文从铁电晶体的微观结构出发,揭示了晶体畴反转过程的四个阶段,并详细讨论了各个阶段的机理。随后介绍了实际的畴反转晶体的制备过程,包括了周期和非周期的光学超晶格,并成功制备了非周期的光学超晶格。2.在畴反转晶体的电光效应和非线性光学频率变换的理论基础上,推导出了在周期性极化铌酸锂(PPLN)内同时包含偏振耦合和倍频效应的耦合波方程。数值模拟结果显示在满足准位相匹配条件下,周期性极化铌酸锂晶体内偏振耦合和倍频之间存在着竞争,并分析了外加电场对晶体内三个光波的偏振和强度的影响。且发现利用外加的另外一束光波,可以改变晶体内原有的三个光波的能量耦合过程。通过对外加光波强度的控制,可以实现对三个光波的光强调制,起到光控光的效果。为了突破激光的工作波长和晶体工作温度的限制,我们设计了一种非周期的光学超晶格,能够同时满足倍频和偏振耦合的位相匹配,实现对任意波长的二次谐波的振幅和偏振调制。3.介绍了在非均匀光栅中用倍频进行脉冲整形的原理,以及实现各种脉冲整形功能的光栅设计。在此基础上我们小组提出了一种改进的光栅设计方案,利用遗传算法寻找一种最优的光栅结构,实现脉冲压缩。为了减少上述方案中未考虑频率成分对输出压缩脉冲的影响,将位相漂白效应引入了光学超晶格结构的设计过程,选用分层遗传算法寻找最优的光栅结构分布进而实现频域上二次谐波的振幅和位相的调制,模拟结果显示这种方法能够有效的提高输出超短脉冲的质量。4.飞秒激光脉冲频率转换中大的群速度失配会引起时域上的走离,所以只有薄的晶体可以用于飞秒脉冲的频率转换。我们将上述光栅的设计过程拓展至差频与和频过程,详细推导了差频与和频在准位相匹配光栅中耦合波的频域表达式,给出了闲置光频域输出表达式。并采用线宽很窄的的连续光和飞秒激光发生差频与和频,解决了群速度失配问题,并可以采用较长的晶体提高转化效率。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-26
  1.1 非线性材料光学超晶格的发展历史  12-15
  1.2 光学超晶格材料的应用及研究现状  15-16
  1.3 准位相匹配技术  16-21
    1.3.1 基本原理  16-19
    1.3.2 准位相匹配的优点  19
    1.3.3 准位相匹配的应用趋势  19-21
  1.4 本论文的贡献  21-22
  参考文献  22-26
第二章畴反转光学超晶格的制备  26-46
  2.1 引言  26-28
  2.2 晶体畴反转的过程  28-37
    2.2.1 基本实验条件  28-29
    2.2.2 畴芽的生成  29-30
    2.2.3 畴芽的生长与穿越  30-32
    2.2.4 畴的扩张和交连  32-35
    2.2.5 畴的稳定与过扩张  35-37
  2.3 极化制备的主要过程  37-44
    2.3.1 掩膜板的设计与制作  37-38
    2.3.2 晶体定向  38-40
    2.3.3 样品的清洗  40
    2.3.4 光刻  40
    2.3.5 离子束溅射镀镍  40-41
    2.3.6 电场极化前处理和后处理  41
    2.3.7 极化装置与电路  41-43
    2.3.8 极化样品  43-44
  参考文献  44-46
第三章光学超晶格内激光的强度与偏振控制  46-79
  3.1 引言  46-47
  3.2 晶体中的电光效应  47-52
  3.3 基于周期性极化铌酸锂的电光Solc滤波理论分析  52-56
  3.4 周期性极化铌酸锂中偏振耦合与倍频的竞争  56-62
  3.5 基于周期性极化铌酸锂的光控光技术  62-67
  3.6 基于非周期极化铌酸锂的二次谐波偏振与强度调制  67-75
  3.7 本章小结  75-76
  参考文献  76-79
第四章基于光学超晶格的超短脉冲整形  79-107
  4.1 引言  79-80
  4.2 频域上倍频过程的描述  80-85
    4.2.1 关于脉冲整形和压缩的非均匀光栅在时域上的直观分析  80-81
    4.2.2 纵向非均匀准位相匹配光栅  81-82
    4.2.3 频率上倍频过程的描述  82-85
  4.3 准位相匹配倍频传输函数和脉冲整形  85-90
    4.3.1 准位相匹配倍频传输函数  85-87
    4.3.2 考虑任意阶色散实现输出脉冲任意位相的光栅设计  87-90
  4.4 遗传算法简介及其改进  90-95
    4.4.1 遗传算法基本原理  90-93
    4.4.2 遗传算法的改进  93-95
  4.5 脉冲压缩和压缩脉冲质量的改进  95-104
    4.5.1 一种新的脉冲压缩方案  95-99
    4.5.2 压缩脉冲质量的改进  99-104
  4.6 本章小节  104-105
  参考文献  105-107
第五章基于光学超晶格的超短脉冲频率变换  107-121
  5.1 引言  107-108
  5.2 基于差频效应的飞秒脉冲频率下转换  108-114
    5.2.1 输出闲置光的推导  108-110
    5.2.2 非周期光学超晶格的结构设计与数值模拟结果  110-113
    5.2.3 制作误差对输出脉冲的影响  113-114
  5.3 基于和频效应的飞秒脉冲频率上转换  114-119
    5.3.1 输出闲置光的推导  114-116
    5.3.2 非周期光学超晶格结构设计实例及模拟结果  116-119
  5.4 本章小节  119
  参考文献  119-121
第六章总结  121-123
  6.1 主要工作  121-122
  6.2 今后工作展望  122-123
致谢  123-124
攻读博士学位期间已发表论文  124

激光在畴反转光学超晶格中的传输、控制和频率变换研究

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