微光纤器件非线性光学效应研究

发布时间：2017-12-09 04:02

  本文关键词：微光纤器件非线性光学效应研究

  更多相关文章： 微光纤 微光纤布拉格光栅 非线性光学效应 二次谐波 布里渊散射 全光调控

【摘要】：随着微型化成为光子学的主要发展趋势,微光纤作为一种典型的微纳光学波导,吸引了越来越多研究者的关注。微光纤是直径在微米或亚微米量级的光导纤维,虽然与传统光纤的材料构成相似,但因为尺寸的缩小,基本性质发生了巨大改变。微光纤具有强光场约束、强倏逝场、高机械强度、高弯曲韧性、低插入损耗等优点,尤其是对光场的强约束性,显著降低了非线性效应的阈值。另一方面,由于作用尺度的减小,微光纤中的非线性光学效应展现出不同于传统光纤的新颖特性。本论文主要关注微光纤中特殊的二次谐波产生效应、布里渊散射效应,以及微光纤布拉格光栅中光致应变主导的非线性光学效应,具体研究内容如下:(1)微光纤表面二次谐波效应。基于微光纤表面非线性的二阶极化将导致表面二次谐波的产生,这种现象与传统光纤中的谐波产生效应存在较大差别。本文总结了这一现象的产生机理,探讨了微光纤中相位匹配的实现方式,以及描述这一非线性过程的耦合波方程。在此基础上,通过理论计算论证了槽型微结构对于表面二次谐波的增强作用。计算结果表明,槽型微结构对于二次谐波产生效率的提升可达1个量级以上。(2)微光纤布里渊散射效应。与标准单模光纤的单峰布里渊谱不同,微光纤的布里渊散射谱表现出独特的多峰结构。本文首先从理论上探讨了这一特殊现象,研究内容包括微光纤受激散射的主要驱动力、微光纤中的声学模式、布里渊耦合系数以及微光纤布里渊散射的相位匹配条件。在此基础上,首次通过实验研究了单峰布里渊散射谱向多峰布里渊散射谱的动态转化过程、布里渊散射信号的空间分布特性,并对实验过程中出现的各种演化现象给出了合理的解释。此外,本文还研究了微光纤布里渊散射的应变传感特性,通过实验测量得到腰区TR21模和R02模散射峰的应变灵敏度分别为0.008609和0.02004MHz/με,并测试了应变传感的回复性。上述研究结果阐明了微光纤布里渊散射的物理机制,进一步揭示了其区别于传统布里渊散射的独特性质,为将来的应用研究打下了坚实的基础。(3)微光纤布拉格光栅非线性全光调控效应。本文对微光纤布拉格光栅独特的非线性光学特性也展开了积极的探索。作为准备,首先研究了微光纤布拉格光栅的制备方法,通过聚焦离子束刻蚀,得到了调制强度为10-2并具有良好光学性能的微光纤布拉格光栅。接下来,研究了所制备光栅的力学传感特性,通过测量发现,直径2.5μm的微光纤布拉格光栅拉力灵敏度可达3146nm/N,比普通光栅高出3个量级。此结果说明微光纤布拉格光栅有可能响应光压等微弱的作用力。基于这样的认识,本文利用非线性耦合模方程,分析了微光纤布拉格光栅在克尔效应和光压共同影响下的非线性光学效应。计算结果表明,光压引发的光致应变主导了微光纤布拉格光栅的非线性过程,破坏了光学双稳态的形成条件,产生了全新的非线性全光调控效应。利用这种效应,可以实现对光栅带宽的全光调控,并得到可调的群延迟特性。综上所述,我们对微光纤器件独特的表面二次谐波效应、多峰布里渊散射效应和非线性全光调控效应进行了有意义的探索和研究。这些新颖的非线性光学效应,为微纳光子学器件的进一步发展提供了有利的契机,在微型化光纤激光器、传感器以及全光调控器件等领域中都有着巨大的应用潜力。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O437;TN253

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