集成中红外三次谐波关键技术研究

发布时间：2020-08-31 18:56

　　中红外光凭借其独特的光谱特性广泛应用于大气通信、激光雷达、医疗设备等领域,然而高性能中红外光源大都由分立器件组成,需要对准和精准调节,稳定性不高且难以集成,不能适应新型激光器小尺寸、低功耗、大规模集成的发展趋势。本文针对目前中红外激光器的缺陷,提出基于光波导中三次谐波效应来产生中红外激光的方法,并设计了两种结构紧凑、易于大规模集成的非线性光波导结构,并将其应用于中红外三次谐波的产生。本文从光学非线性谐波产生的理论出发,推导了光波导结构中描述三次谐波产生过程的一般性耦合非线性薛定谔方程组,分析得出决定波导结构中三次谐波转换效率的三个关键因素:相位匹配条件、介质材料的三阶非线性极化率、泵浦波与三次谐波之间的模式重叠积分。然后基于表面等离子体激元形成原理,提出了两种满足谐波产生条件的光波导结构,在此基础上利用数值方法研究了波导中三次谐波过程中能量的转换与波导损耗、相位匹配条件以及模式交叠的内在联系,进一步优化了波导结构。本文首先提出了一种聚合物加载型的表面等离子体波导用以实现4650 nm中红外至1550 nm近红外的三次谐波转换。利用金属氧化物材料氧化镉(CdO)在中红外和近红外波段分别呈现金属特性和一般电介质特性的特点,通过波导中表面等离子体传播模式和普通光子模式之间的相互耦合作用,实现了泵浦波基模与三次谐波基模之间的相位匹配,并通过进一步的结构优化,在峰值功率为100 W,脉宽为100 fs的泵浦光脉冲作用下,获得了8.7×10~(-5)的三次谐波转换效率。为了进一步获得中红外谐波,基于金属对光场良好的束缚能力,我们设计了一种金属-半导体-金属狭缝波导结构来实现10.2μm到3.4μm中红外的三次谐波转换,由于在中红外波段金属银介电常数非常大,因此光场可以被严格约束在两个银层之间的锗狭缝区域中。与此同时,金属也带来了巨大的传播损耗,使得传播损耗成为了限制转换效率进一步提升的主要限制因素,而不再是传统的相位匹配条件。在这种情况下,我们通过泵浦波基模和谐波基模之间的三次谐波转换,从而获得更大的非线性系数。通过进一步优化波导结构,在泵浦光功率为1 W时,实现了转换效率为9.1×10~(-4)的中红外三次谐波。此外,该波导具备较大的制备容差和波长偏移容限,且在低温下能保持良好的稳定性。本文所提出的非线性光波导有望为大规模集成的中红外光源提供一条潜在的途径。
【学位单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN21
【部分图文】：

氧化镉,介电常数,材料,波长

图 3.1 氧化镉（CdO）材料介电常数随波长的变化规律我们可以发现 CdO 的材料介电常数在近红外到中红外波段有着，在近红外波段材料介电常数实部大于零，这时 CdO 呈现介质增加，介电常数的实部明显降低，虚部逐渐增大，在中红外波段到 CdO 材料介电常数明显下降为负数，根据第二章中对于金属

示意图,等离子体波导,三维结构,聚合物

图 3.2 聚合物加载型表面等离子体波导三维结构示意图3.2 波导中相位匹配条件分析首先我们研究 4650 nm 的中红外光和 1550 nm 近红外光在该波导结构中的传播模式。设定波导结构参数为 HD=1.5 μm，ωD=3000 nm，HC=2.4 μm，通过全矢量有限元方法仿真软件COMSOLMultiphysics得到波长为4650nm和1550nm时，该聚合物加载型表面等离子体波导中长波长与短波长基模的模场分布如图 3.3 所示。其中波长为 4650 nm 中红外光和波长 1550 nm 近红外光在该波导中传播的有效折射率分别为 1.7964 + 0.017709i 和 1.7843 + 8.7246×10-4i。从图 3.3(a)中可以看出波长为中红外波段时，由于 CdO 此时呈现金属特性，在 CdO 和 DDMEBT 表面形成表面等离子体模式，在表面场强最强，沿 Y 轴方向上场强呈现指数衰减

电场分布,基模,电场分布,三次谐波

图 3.3 (a)4650 nm 泵浦波基模的电场分布和(b)1550 nm 三次谐波基模的电场分布在该波导结构中，在保证 CdO 基底体积足够大的情况下，可能影响模式有效射率的参数为 DDMEBT 的厚度 HD和宽度 ωD，为了分别研究两结构参数对模式效折射率的影响，我们分别固定 DDMEBT 波导厚度 HD=1.5 μm 或 DDMEBT 波宽度 ωD=3000 nm，来研究两种波长下的有效折射率随 ωD或 HD的变化规律，如

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