周期极化铌酸锂的制备及应用研究

论文题目: 周期极化铌酸锂的制备及应用研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 物理电子学

作者: 纪磊

导师: 武星

关键词: 非线性光学,准相位匹配,倍频,铌酸锂,周期极化,液体电极,有限元法,电场分布,击穿

文献来源: 天津大学

发表年度: 2005

论文摘要: 铌酸锂晶体拥有一系列独特的电光、声光、弹光、压电、热电和非线性光学特性,这使得它成为声光、电光和非线性光学器件等应用中最具吸引力的材料之一。基于准相位匹配技术的周期极化铌酸锂(PPLN)可以利用铌酸锂最大的非线性系数d33(25.2pm/V),已广泛应用于倍频/差频、光参量振荡等光参量过程和THz波产生等方面。在光通信领域,尤其是波长变换、全光开关方面,也有广阔的应用前景。本文侧重于研究铌酸锂畴反转基理,并基本解决极化工艺的实际问题,完善极化工艺,为进一步提高周期极化铌酸锂器件的性能奠定基础。论文采取理论分析与实验验证紧密结合的研究方法,所涉及的研究成果与创新之处如下:1.利用有限元法分析了周期极化电极结构的电场分布。比较了梳形电极与框形电极的优劣。在理论分析的基础上提出一种适用于小尺寸晶片的能有效降低边缘电场的周期极化电极结构,并申请了发明专利(申请号: 200510015505.6)。2.系统分析了各种可能的工艺缺陷对极化质量的影响。其中包括液体电极方案可能存在的气泡问题,提出了相应的对策;多种周期同时极化时,各部分在极化进程中相互之间的影响;以及毛刺、断条光刻缺陷对极化质量的影响。3.利用斯坦福大学提出的数学模型对绝缘层介电常数、绝缘层厚度、电极宽度、外加电压幅度和光栅周期对极化进程的影响进行了分析,提出选择各参数取值的原则,并给出由光栅周期计算最优电极宽度的拟合公式。4.纠正了一篇重要文献中不正确的合成频谱调谐曲线,并分析了导致问题产生的算法错误。5.提出了更符合铌酸锂周期极化过程实验结果的三维动态模型。6.研究了与铌酸锂周期极化密切相关的击穿特性。7.设计了液体电极方案的极化夹具,改进了已有的极化电源。8.制备了有效通光长度20mm的周期极化铌酸锂样品,对连续光Nd:YVO4激光器1064nm波长一阶准相位匹配倍频过程进行了实验研究,在1.51W的基频泵浦功率时得20.55mW 532nm的倍频绿光输出,其倍频转换效率为1.36%,较我们之前的效率提高了26倍。达到国内相同实验条件下类似研究的一般水平。9.对近化学计量比铌酸锂和抗光折变掺杂铌酸锂的极化和击穿特性进行了初步研究。

论文目录:

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 为什么要选择铌酸锂

1.3 国际研究现状及趋势

1.3.1 晶体材料的改进

1.3.2 制备工艺的改进

1.3.3 样品结构的改进

1.3.4 应用的扩展

1.4 国内研究现状

1.5 课题来源与论文主要工作

第二章 非线性光学互作用和准相位匹配原理

2.1 非线性光学互作用

2.1.1 光频的麦克斯韦方程

2.1.2 非线性光学极化率

2.1.3 三波非线性互作用的耦合波方程

2.1.4 二阶非线性光学效应

2.1.5 三阶非线性光学效应

2.2 准相位匹配原理

2.2.1 准相位匹配

2.2.2 准相位匹配的调谐与误差分析

2.2.3 频谱调谐曲线的合成

第三章 周期极化铌酸锂的制备

3.1 铌酸锂晶体的基本性质

3.1.1 铌酸锂的晶格结构

3.1.2 铌酸锂的折射率方程

3.1.3 铌酸锂晶体的热膨胀系数

3.1.4 铌酸锂的周期极化过程

3.1.5 铌酸锂的极化与击穿特性研究

3.2 周期极化铌酸锂的研制

3.2.1 样品的准备

3.2.2 极化电源的改进

3.2.3 有关限流电阻作用的讨论

3.2.4 液体电极夹具

3.2.5 极化波形

3.2.6 铌酸锂电畴的观测方法

第四章 外加电场法极化电极结构的优化

4.1 不同电极结构电场分布的有限元分析

4.1.1 模型的简化

4.1.2 梳形电极与框形电极

4.1.3 一种新颖的周期极化电极结构

4.1.4 液体电极的气泡问题

4.1.5 多种周期同时极化

4.1.6 光刻缺陷对极化的影响

4.2 重要结构和工艺参数的理论分析

4.2.1 极化过程的数学模型

4.2.2 数值分析

第五章 铌酸锂周期极化与倍频实验研究

5.1 铌酸锂周期极化实验

5.2 周期极化铌酸锂倍频实验研究

第六章 近化学计量比铌酸锂和抗光折变掺杂铌酸锂

6.1 近化学计量比铌酸锂

6.1.1 近化学计量比铌酸锂对物理性能的提高

6.1.2 近化学计量比铌酸锂的折射率分布

6.1.3 近化学计量比铌酸锂的极化实验

6.2 抗光折变掺杂铌酸锂

6.2.1 掺镁铌酸锂

6.2.2 掺锌铌酸锂

总结与展望

参考文献

发表论文及专利

参与的研究项目

致谢

发布时间: 2007-07-10

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