铁电晶体畴壁及畴的非线性光学性质研究及其应用

论文摘要

铁电晶体因其较好的非线性性质以及自发极化能够被外加电场反转的特点而在非线性光学的研究中有着广泛的应用。在研究铁电畴和畴反转的过程中,人们发现畴壁作为一个特殊的界面,在光学、电学、力学等方面表现出许多奇特的性质。其中一部分性质已经通过第一性原理计算和动力学模型得到了较好解释。尽管如此,在非线性性质方面,人们对畴壁的研究才刚刚起步,相关报道也不多见。我们的工作正是基于铁电畴及畴反转结构,针对畴壁新的非线性性质开展研究。另一方面,也对铁电畴及畴反转结构在电光控制方面进行了探索。在对铁电晶体的基本性质进行了简单介绍后,我们回顾了国际上常用的畴反转制备方法,其中室温电场极化法应用最为广泛。我们在实验室中进行了室温电场极化实验,成功制备了周期性极化反转以及大面积极化反转。这两种类型的畴反转结构是我们后续研究的基础。通过对铁电晶体畴壁激发切伦科夫倍频的详细分析,我们发现铁电晶体畴壁上存在巨大提升的非线性性质。利用这一性质,我们提出了一种新的扫描光学成像的方法——利用畴壁切伦科夫倍频信号重建畴壁形态。该方法具有实时、无损、高精度及可三维成像的优点。利用该方法对畴壁厚度的估算在10nm量级,空间角分辨率达10mrad。由于畴壁对基频光场响应的定域性,它会对其上产生的非线性极化波产生调制。随着基频光与畴壁间夹角的增大,非线性极化波的相速度会被调制变快。这直接影响了切伦科夫倍频的产生,改变了倍频光的出射角。我们据此分析了在反常色散中由畴壁调制作用产生切伦科夫倍频的可能,并通过实验加以证明。通过对其原理的分析,我们将该现象命名为非线性Smith-Purcell效应。基于畴壁对切伦科夫倍频的调制作用,我们设计了畴壁序列产生完全位相匹配倍频的实验。这种类型的倍频是与准位相匹配机制不同的全新机制。实验中产生倍频的归一化效率超过了目前报道中准位相匹配技术产生倍频的最高效率。产生如此高效倍频的原因是畴壁巨大的非线性系数提升以及完全位相匹配的实现。畴壁序列产生完全匹配高效切伦科夫倍频的方案具有实用意义,可用于激光系统中。基于铌酸锂晶体的电光效应,我们提出了外加电场控制周期性极化铌酸锂波导阵列中离散空间光孤子产生与坍缩的方法。理论模拟表明,改变外电场不仅能够促使孤子形成和坍缩,也能改变波导阵列输出端面上的能量分布。实验证实了施加z向外电场的周期性极化铌酸锂晶体中可以形成离散空间孤子。改变外电场强度,可以控制它的产生和坍缩。利用钽酸锂晶体较大的电光系数,我们设计并制作了准速度匹配电光相位调制器。我们完全掌握了器件的理论设计和制造工艺,制作出不同通光口径的调制器。测试结果表明,调制器能够有效展宽入射光频谱,符合设计标准。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 非线性光学简介
• 1.1.1 非线性光学的发展概况
• 1.1.2 非线性光学基础
• 1.2 铁电晶体的研究及应用
• 1.3 铁电晶体畴壁研究的兴起
• 1.4 本论文的研究内容、创新点及文章结构
• 参考文献
• 第二章 铁电晶体的畴、畴反转和畴壁
• 2.1 铁电晶体的性质
• 2.1.1 铁电畴的结构
• 2.1.2 铁电晶体的光学性质
• 2.1.3 铁电晶体的热电效应
• 2.1.4 铁电晶体的压电和电致伸缩效应
• 2.2 畴反转的制备
• 2.2.1 畴反转制备的主要方法
• 2.2.2 利用室温电场极化法制备畴反转
• 2.3 铁电晶体中的畴壁
• 2.3.1 畴壁的定义
• 2.3.2 铁电晶体畴壁的新特性
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 铁电晶体畴壁非线性光学性质的研究
• 3.1 畴壁切伦科夫型谐波产生的研究
• 3.1.1 非线性切伦科夫效应
• 3.1.2 畴壁切伦科夫倍频及其特性
• 3.2 利用畴壁增强的非线性性质对其进行检测
• 3.3 畴壁Solc 滤波效应的研究
• 3.3.1 Solc 滤波器原理
• 3.3.2 畴壁在Solc 滤波器中的作用
• 3.4 畴壁与畴的二阶非线性性质差异
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 基于畴壁定域性的非线性Smith-Purcell 效应
• 4.1 畴壁的定域性
• 4.2 畴壁对非线性极化波的调制作用
• 4.2.1 调制原理
• 4.2.2 畴壁调制切伦科夫型倍频及和频产生
• 4.2.3 极限切伦科夫谐波产生
• 4.3 非线性Smith-Purcell 效应
• 4.3.1 反常色散介质中的畴壁调制作用
• 4.3.2 Smith-Purcell 效应在非线性光学中的推广
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 完全位相匹配高效切伦科夫型倍频产生研究
• 5.1 畴壁序列中的完全位相匹配切伦科夫型倍频理论
• 5.1.1 完全位相匹配原理
• 5.1.2 畴壁的全同性
• 5.2 实验产生完全位相匹配高效倍频
• 5.2.1 飞秒光脉冲实验结果及分析
• 5.2.2 连续光实验结果及分析
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 第六章 基于周期性极化铁电晶体电光效应的光孤子产生与坍缩
• 6.1 周期性极化铁电晶体中的电光孤子理论模型
• 6.1.1 周期性极化铁电晶体波导阵列
• 6.1.2 电压控制光孤子的理论模拟
• 6.2 实验产生电光孤子及其坍缩
• 6.2.1 实验装置
• 6.2.2 实验结果及分析
• 6.3 本章小结
• 参考文献
• 第七章 准速度匹配电光相位调制器的研制
• 7.1 光谱展宽理论
• 7.2 驻波调制器的理论设计
• 7.2.1 准速度匹配原理
• 7.2.2 光学部分设计
• 7.2.3 微波部分设计
• 7.3 调制器的制作与测试
• 7.3.1 调制器的制作
• 7.3.2 调制器的测试及结果
• 7.4 本章小结
• 参考文献
• 第八章 总结与展望
• 8.1 主要工作
• 8.2 研究展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表学术论文列表