周期极化微结构超短脉冲倍频的理论和实验研究

论文摘要

自激光诞生以来,激光的非线性频率转换技术一直就是人们研究的热点,基于周期极化晶体的准相位匹配技术是拓宽激光可调谐波长的最常用、最有效的方法之一。准相位匹配倍频（Quasi-phase Matching-Second HarmonicGeneration,简称QPM-SHG）技术在光子学微结构晶体材料和波导材料中得到了广泛的应用,尤其近年来采用微结构波导QPM-SHG实现超短脉冲光纤光源的方案,表现出巨大的发展应用前景。飞秒激光以其超短超强特性,在许多方面得到了广泛应用,尤其是与显微技术的结合,开创了激光微细加工的新时代。将飞秒激光聚焦到透明介电材料表面下一定深度,在光束焦点空间内材料对飞秒脉冲的非线性吸收会导致材料结构变化,从而引起局部折射率的变化。在合适的加工参量条件下,移动样品内激光焦点的位置就可以方便地刻写出三维光波导。飞秒激光刻写三维波导结构的工艺简单,被公认为是一种新兴、高效的波导制作技术。本文结合课题组承担的基金项目以及实验室条件,主要在超短脉冲的频率变换和飞秒激光微细加工铁电晶体光波导方面进行了较深入的研究,主要内容如下:1.准相位匹配倍频和KTP晶体畴反转工艺的研究由描述光波与物质相互作用的麦克斯韦方程组出发,推导出了准相位匹配二次谐波的强度和倍频转化效率的表达式,理论分析了周期极化非线性晶体的极化反转光栅周期、晶体温度、基频光波长的调谐与容差特性。从晶体的前期预处理、极化电极的制作、极化过程的实时监控、极化质量的评价等方面,分析了影响晶体周期极化畴反转质量的因素,探索了极化反转的优化工艺参数。在2.8 kV的高压电场作用下,实现了KTP晶体周期极化畴反转,成功制备了占空比接近50%的周期极化KTP晶体。2.准相位匹配二次谐波产生的实验研究将铒镱共掺光纤激光系统和PPLN晶体相结合,在倍频波长775.9 nm处获得了90.6 mW的高效率连续激光输出,波长调谐带宽约2.1 nm,相位匹配的温度调谐范围为150.6±1.7℃;将铒镱共掺锁模光纤激光系统和PPLN晶体相结合,在谐波波长775.4 nm,实现了150 mW的ps量级脉冲激光输出,波长调谐带宽为2 nm,相位匹配的温度为150℃,温度调谐带宽为1.8℃。用重复频率10 Hz、脉宽5 ns的电光调Q Nd∶YAG激光器作为基频光源,用PPKTP晶体进行倍频,获得的波长调谐带宽约1.2 nm,二次谐波脉冲最大展宽为26.6 ns,倍频转换效率约26.1%。用热效应解释了准相位匹配波长的微小偏移。3.超短脉冲在准相位匹配晶体中传输特性的研究建立了超短脉冲在准相位匹配晶体中传输的物理模型,运用分步傅立叶方法对非线性传输方程进行数值求解,分析讨论了基频光波和二次谐波的群速度失配、群速度色散、自相位调制以及自聚焦效应等对光脉冲的时域和频域特性以及倍频转化效率的影响,数值计算结果优化了倍频系统的设计参数。4.飞秒激光刻写LN晶体光波导的理论和实验研究介绍了飞秒激光与透明介质相互作用过程中产生的多光子电离、雪崩电离以及激光诱导等离子体产生等现象。研究了飞秒激光在透明介质中引起的自聚焦以及自发多点自聚焦现象,指出利用产生的多焦点现象可以进行激光并行加工。比较了长脉冲和飞秒脉冲激光在透明材料中的传输特性以及不同的材料损伤机理。最后利用飞秒激光的特征优势,进行了LN晶体光波导刻写的实验研究,探索了激光加工的参量如激光脉冲能量和激光扫描速度对刻写通道深度、宽度的影响,对比测量了飞秒刻写通道和晶体的光传输损耗,结果表明所刻写的激光通道在1550 nm波段具有良好的波导特性;探讨了飞秒激光在透明晶体中刻写光波导的机理,激光诱导了Li+的外扩散引起局部折射率的增加。5.飞秒激光刻写PPLN和PPKTP晶体光波导的倍频实验研究研究了飞秒激光刻写周期极化微结构光波导的倍频效应。将铒镱共掺ps光纤光源与飞秒刻写的PPLN微结构光波导相结合,在1550 nm波段,获得了230mW的二次谐波输出,倍频转换效率为34.8%;将掺钛蓝宝石激光器和OPA组成的fs激光系统与飞秒激光刻写的PPLN微结构光波导相结合,在1550 nm波段,获得了最大功率为2.26 mW的倍频光输出,相应的谐波转化效率约为8%,光斑呈现良好的单模特性,数值模拟结果与实验相一致。低重复频率的电光调Q Nd∶YAG激光器作为基频光源,用飞秒激光刻写的PPKTP光波导倍频,获得了倍频脉冲能量为1.26μJ,最大转换效率为39.6%,高于PPKTP晶体倍频的效率26.1%。

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摘要

Abstract

第一章绪论

第一节准相位匹配技术及其发展现状

1.1.1 准相位匹配技术

1.1.2 准相位匹配技术的研究进展

1.1.3 QPM-SHG技术发展现状及趋势

1.1.3.1 微结构体材料的QPM-SHG

1.1.3.2 微结构波导的QPM-SHG

1.1.3.3 微结构波导光纤光源的QPM-SHG

第二节飞秒激光微细加工光波导的研究进展

1.2.1 超短脉冲激光技术的发展

1.2.2 飞秒激光微细加工技术的特征优势

1.2.3 飞秒激光微细加工光波导的研究进展

1.2.4 飞秒激光制作铁电晶体微结构光波导的研究进展及趋势

第三节论文的主要研究内容和章节安排

第二章周期极化晶体倍频的理论和实验研究

第一节引言

第二节周期极化晶体倍频的理论

2.2.1 三波耦合波动方程

2.2.2 准相位匹配二次谐波产生

2.2.3 准相位匹配的调谐与容差特性

2.2.3.1 极化反转周期的调谐与容差特性

2.2.3.2 温度的调谐与容差特性

2.2.3.3 波长的调谐与容差特性

第三节周期极化畴反转KTP晶体的制备

2.3.1 铁电晶体的极化

2.3.1.1 自发极化与居里温度

2.3.1.2 铁电畴与电滞回线

2.3.1.3 铁电晶体的极化过程

2.3.2 KTP晶体的性质

2.3.3 KTP晶体的极化反转

2.3.3.1 KTP晶体的极化特性

2.3.3.2 极化反转的电极结构

2.3.3.3 KTP晶体的极化反转

2.3.3.4 极化过程的实时监控

2.3.3.5 极化样品的质量评价

第四节实验结果及分析

2.4.1 1550nm波段光纤光源倍频研究

2.4.1.1 连续光纤激光器的倍频实验

2.4.1.2 锁模光纤激光器的倍频实验

2.4.2 Nd:YAG激光的高功率倍频实验

第五节本章小结

第三章超短脉冲激光在准相位匹配晶体中的传输特性

第一节引言

第二节晶体的群速性质和光学非线性效应

3.2.1 晶体的群速性质

3.2.2 光学非线性效应

3.2.2.1 自聚焦

3.2.2.2 自相位调制

第三节超短脉冲激光在准相位匹配晶体中传输的时域和频域特性

3.3.1 计算模型和数值方法

3.3.1.1 计算模型

3.3.1.2 数值方法

3.3.2 超短脉冲倍频的时域和频域特性

3.3.2.1 群速度失配和群速度色散的影响

3.3.2.2 自相位调制的影响

3.3.2.3 脉冲时域和频域特性

第四节超短脉冲倍频转换效率的影响因素

3.4.1 相位失配限制

3.4.2 波矢失配对转换效率的影响

3.4.3 入射激光功率密度对转换效率的影响

第五节自聚焦效应对脉冲时空分布的影响

第六节本章小结

第四章飞秒激光与透明介质相互作用的理论和实验研究

第一节引言

第二节飞秒激光与透明介质相互作用的机理

4.2.1 飞秒激光诱导透明介质的光电离

4.2.1.1 非线性光电离

4.2.1.2 雪崩电离

4.2.2 飞秒激光诱导等离子体产生

4.2.3 飞秒脉冲在透明介质中的自聚焦效应

4.2.4 激光诱导材料光损伤

第三节飞秒激光刻写 LN晶体光波导的实验研究

4.3.1 飞秒激光系统

4.3.2 飞秒激光刻写LN光波导及其性能

4.3.2.1 激光加工参量对刻写通道性能的影响

4.3.2.2 通道传输特性的测量及分析

4.3.2.3 分析与讨论

第四节本章小结

第五章飞秒激光刻写周期极化晶体光波导倍频实验研究

第一节引言

第二节飞秒激光刻写 PPLN晶体光波导

5.2.1 PPLN晶体的制备

5.2.2 飞秒激光刻写 PPLN光波导在1550nm波段主动锁模光纤激光倍频

5.2.3 飞秒激光刻写 PPLN光波导在1550nm波段的OPA飞秒激光倍频

第三节飞秒激光刻写 PPKTP晶体光波导

5.3.1 倍频实验装置

5.3.2 实验结果与分析

第四节本章小结

第六章总结与展望

参考文献

致谢

个人简历

在学期间发表的学术论文与研究成果

攻读博士学位期间参加的科研项目

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