抗光折变近化学计量比Ti:Mg:PPLN条波导的制备与表征

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采用周期极化铌酸锂(PPLN)晶体实现准相位匹配(QPM)是集成光学领域的一个研究热点。不仅如此,周期极化的绝缘衬底铌酸锂(PP-LNOI)波导能够将铌酸锂对THz波的吸收降到最低,在高效稳定THz辐射源的研究和应用方面具有巨大的发展前景。本文成功制备了具有抗光折变效应的近化学计量比Ti:Mg:PPLN条波导,并实现了波长532nm的二次谐波产生;以硅和LNOI为基底制备了亚微米级的氧化钽脊形波导结构;最后,设计了基于PPLN参量放大器和PP-LNOI波导的THz波产生系统。为进一步制作出高功率,高转换效率,可调谐的,同时具有抗光折变能力的基于PPLN的THz辐射源提供了依据。本研究工作的具体内容包括:(1)在Z切铌酸锂基片的+Z面先后进行Ti预扩散、MgO预扩散、富锂气相输运平衡(VTE)等工艺制备近化学计量比(NS)Ti:Mg:LN波导。接着,对样品进行外加电场极化,得到NS Ti:Mg:PPLN条波导。实验表明,本实验工作制备的NS Ti:Mg:PPLN条波导在1064nm向532nm波长倍频过程中达到了101%W-1的波长转换效率,且具有良好的抗光折变性能。通过对腐蚀后波导区域反转畴结构的观察,分析了影响波导性能的主要因素,并改进了极化系统。(2)通过在硅基二氧化硅表面溅射Ta膜、高温退火的方法制备了硅基氧化钽脊形光波导。利用光纤透镜对脊形波导进行端面耦合,结果显示该波导在1.55μm波段能够单模传输,传输损耗为1.2dB/cm。结合X射线衍射图谱探讨了波导损耗的影响因素。还在LNOI基底上成功制备了氧化钽-LNOI脊形结构。(3)根据准相位匹配技术基本原理,完成了利用1064nm泵浦光产生1.5μm可调谐输出的PPLN光参量放大器的周期设计;设计了使用波长1.55μm的信号光,产生频率在2.53THz4.47THz的可调谐THz波输出对应的PPLN极化周期,其范围在22.2433.91μm;设计了基于PPLN参量放大器和PP-LNOI波导的THz波产生系统。本论文的创新点包括:1)首次利用Ti/MgO预扩散、富锂VTE和外加电场极化的方式制备出NS Ti:Mg:PPLN条波导,使波导在常温下具有抗光折变能力,消除了Ti扩散、MgO掺杂两者对制备周期反转畴结构的不利影响。2)在LNOI晶片上制备了脊形波导结构,并设计了用于THz波产生的PP-LNOI复合波导结构,为发展基于PPLN的THz辐射源开拓了新的途径。
摘要第4-5页
abstract第5-6页
第1章 绪论第9-15页
    1.1 引言第9页
    1.2 周期极化铌酸锂光波导的研究现状与发展第9-12页
    1.3 本论文的主要工作与意义第12-15页
第2章 PPLN晶体中的准相位匹配原理第15-29页
    2.1 准相位匹配技术基本原理第16-18页
    2.2 周期极化晶体中的倍频过程第18-23页
        2.2.1 周期极化铌酸锂晶体中二次谐波的产生第18-21页
        2.2.2 SHG过程中转换效率的计算第21-23页
    2.3 周期极化铌酸锂晶体中THZ波的产生第23-28页
        2.3.1 准相位匹配实现差频THz波产生第24-26页
        2.3.2 THz波的差频增益特性第26-28页
    2.4 本章小结第28-29页
第3章 近化学计量比TI:MG:PPLN条波导的制备与表征第29-43页
    3.1 近化学计量比TI:MG:PPLN条波导的制备第30-34页
        3.1.1 Ti/Mg预扩散第30-32页
        3.1.2 富锂VTE后处理第32-33页
        3.1.3 外加电场极化第33-34页
    3.2 近化学计量比TI:MG:PPLN条波导性能的表征第34-39页
        3.2.1 样品表面组份的确定第34-35页
        3.2.2 波导损耗的表征第35-38页
        3.2.3 波导的倍频特性第38-39页
    3.3 近化学计量比TI:MG:PPLN条波导畴结构的观察第39-41页
        3.3.1 畴结构的观察第39-40页
        3.3.2 极化系统的改进第40-41页
    3.4 本章小结第41-43页
第4章 硅基氧化钽脊形波导的制备与表征第43-53页
    4.1 硅基氧化钽脊形波导的制备第44-46页
        4.1.1 硅基氧化钽薄膜第44页
        4.1.2 硅基氧化钽脊形波导的制备第44-46页
    4.2 硅基氧化钽脊形波导的表征第46-49页
        4.2.1 光纤透镜的输出模场第46页
        4.2.2 硅基氧化钽波导的近场模式第46-48页
        4.2.3 硅基氧化钽脊形波导损耗的表征第48-49页
    4.3 氧化钽-LNOI脊形结构第49-52页
        4.3.1 绝缘衬底铌酸锂(LNOI)第50-51页
        4.3.2 氧化钽-LNOI脊形结构的制备第51-52页
    4.4 本章小结第52-53页
第5章 基于PPLN和PP-LNOI波导的THZ波产生系统设计第53-63页
    5.1 PPLN光参量放大器的设计第54-58页
        5.1.1 PPLN晶体中的参量放大过程第54-56页
        5.1.2 PPLN参量放大器在 1.5μm波段的输出调谐第56-58页
    5.2 准相位匹配差频产生THZ的周期设计第58-61页
    5.3 基于PP-LNOI晶片的THZ波产生系统第61-62页
    5.4 本章小结第62-63页
第6章 总结与展望第63-64页
参考文献第64-69页
发表论文和参加科研情况说明第69-70页
致谢第70-71页
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