飞秒激光与铁电晶体相互作用及波导耦合特性

论文摘要

飞秒激光与透明介质的相互作用是近年来研究的热点领域。将飞秒激光聚焦到透明材料的表面,当照射激光能量高于材料损伤阈值时,会造成材料表面的物理损伤。另一方面,通过显微物镜将飞秒激光聚焦到介质材料内部,当激光能量低于材料破坏阈值时,通过飞秒激光与介质之间的非线性作用,致使介质被作用的区域发生折射率变化,利用飞秒激光的这种特性可以加工出光波导,这已成为制作光波导的一种新方法。首先本文研究了飞秒激光与铁电晶体铌酸锂、钽酸锂的表面烧蚀。由于铌酸锂、钽酸锂是两种重要的非线性光学晶体材料,研究飞秒激光与铁电晶体之间的相互作用,不但可以帮助人们加深理解飞秒激光与此类晶体相互作用的物理规律,而且还对飞秒激光在铁电晶体中的微加工应用具有重要的参考价值。我们利用烧蚀面积与激光能量的对数关系,确定这两种晶体在单脉冲及多脉冲作用下的烧蚀阈值。研究发现,由于累积效应,当作用铌酸锂晶体上的飞秒脉冲个数大于80的时候,多个脉冲的破坏阈值Ft h(∞)趋近一常数。我们还研究了飞秒激光作用下,钽酸锂晶体中导带电子光致电离速率和电场强度之间的关系,通过导带电子数密度的演化和数值计算,得到了钽酸锂的碰撞系数约为1.01。飞秒激光能简单快速制作二维波导阵列的优点,使得在研究二维波导阵列中的离散衍射,离散孤子等线性和非线性现象时更为方便地提供实验样品。论文接着在理论上研究了二维波导阵列中的衍射情况,在不同的衍射情况下,数值模拟出二维波导阵列中的耦合输出特性。实验上采用飞秒写入的办法,在石英玻璃介质中制作出一个2 2的波导阵列,并观测到其耦合输出情况。由于波导阵列之间的耦合系数在实际应用中具有重要的意义,论文中提出了一种测量耦合系数的方法:利用耦合波理论,根据相关波导输出功率之比,计算出波导的耦合系数,最后得到了波导阵列水平方向、垂直方向的耦合系数分别为飞秒激光在铁电晶体材料中诱导的各种波导结构在光通信系统中具有重要的应用价值。本论文最后利用飞秒激光在z方向切割的铌酸锂中制备了一个1×4的波导阵列。在波导耦合实验中观测到了铌酸锂波导阵列的偏振相关耦合特性,结果表明波导阵列对TM模式的限制要比对TE模式限制更强。同时,对两种偏振输入光所对应的波导耦合系数也进行了测量计算。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超短脉冲激光的产生、放大及测量
• 1.2.1 超短脉冲技术的发展
• 1.2.2 飞秒激光脉冲的产生
• 1.2.3 飞秒啁啾放大及测量技术
• 1.3 飞秒脉冲激光在微加工领域中的应用
• 1.3.1 飞秒激光微纳加工的优越性
• 1.3.2 飞秒激光微处理的结果
• 1.3.3 飞秒激光微加工的应用
• 1.4 飞秒激光微加工在铁电晶体中的应用
• 1.5 本论文的主要研究内容和章节安排
• 1.6 参考文献
• 第二章 透明介质中的超短激光脉冲
• 2.1 光在介质中的线性与非线性传播
• 2.2 非线性折射率
• 2.3 自聚焦效应
• 2.4 自相位调制
• 2.5 非线性电离
• 2.5.1 非线性光电离
• 2.5.2 雪崩电离
• 2.5.3 等离子体的自由载流子吸收
• 2.5.4 等离子体离焦
• 2.6 高斯光束的聚焦
• 2.7 本章小结
• 2.8 参考文献
• 第三章 飞秒激光与铁电晶体的表面烧蚀
• 3.1 引言
• 3.2 实验安排
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 铌酸锂晶体烧蚀形貌
• 3.3.2 铌酸锂晶体破坏阈值
• 3.3.3 钽酸锂晶体烧蚀形貌
• 3.3.4 钽酸锂晶体破坏阈值
• 3.3.5 理论模型
• 3.4 本章小结
• 3.5 参考文献
• 第四章 光在飞秒写入波导阵列中的耦合特性
• 4.1 引言
• 4.2 波导阵列中的离散衍射特性
• 4.2.1 一维波导阵列中的离散衍射
• 4.2.2 二维波导阵列中的离散衍射
• 4.3 光在飞秒写入2×2 波导阵列中的耦合特性
• 4.3.1 飞秒刻写波导常用的两种方法
• 4.3.2 波导阵列的实验制备
• 4.3.3 波导端面不对称的原因
• 4.3.4 波导的折射率改变
• 4.3.5 光在2×2 的波导阵列中的耦合特性分析
• 4.4 本章小结
• 4.5 参考文献
• 第五章 飞秒写入铌酸锂波导阵列偏振耦合特性
• 5.1 引言
• 5.2 飞秒制备波导阵列实验
• 5.3 自发多次自聚焦的理论分析
• 5.3.1 自聚焦的产生
• 5.3.2 自聚焦的影响因素
• 5.3.3 自聚焦的形式和自发多次聚焦的产生
• 5.4 波导阵列的耦合实验
• 5.5 波导阵列耦合系数的计算
• 5.6 本章小结
• 5.7 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本论文工作的总结
• 6.2 今后工作展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间取得的科研成果