准晶非线性光子晶体中二次谐波波长和温度调谐的研究!

《准晶非线性光子晶体中二次谐波波长和温度调谐的研究!》由会员分享，可在线阅读，更多相关《准晶非线性光子晶体中二次谐波波长和温度调谐的研究!（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、准 晶 非 线 性 光 子 晶 体 中 二 次 谐 波 波 长 和温 度 调 谐 的 研 究!窦 军 红 盛 艳 张 道 中!（ 中 国 科 学 院 物 理 研 究 所 北 京 凝 聚 态 物 理 国 家 重 点 实 验 室 和 中 科 院 光 物 理 重 点 实 验 室 ， 北 京 #$#）（ %#& 年 月 %( 日 收 到 ； %#& 年 ) 月 $ 日 收 到 修 改 稿 ）在 八 重 准 周 期 极 化 的 铌 酸 锂 非 线 性 光 子 晶 体 中 ， 通 过 调 节 基 频 光 波 长 实 现 了 多 个 波 长 的 同 时 共 线 准 相 位 匹 配倍 频 ， 最 高 转 换

2、效 率 达 *)+ ,同 时 ， 测 量 了 准 晶 非 线 性 光 子 晶 体 中 二 次 谐 波 转 换 效 率 随 晶 体 温 度 以 及 入 射 波 长 的 变化 ， 结 果 表 明 二 次 谐 波 在 长 波 处 具 有 更 宽 的 温 度 以 及 波 长 调 谐 带 宽 ,该 项 研 究 对 于 准 周 期 非 线 性 光 子 晶 体 在 实 际工 作 中 的 运 用 具 有 重 要 的 指 导 意 义 ,关 键 词 ： 准 周 期 ， 非 线 性 光 子 晶 体 ， 温 度 调 谐 ， 波 长 调 谐!#： %)(-， %)%.， %/#0!国 家 重 点 基 础 研 究 发 展

3、 计 划 项 目 （ 批 准 号 ： %#12)#） 赞 助 的 课 题 ,! 345678： 9:;:=?6AB,7AB,6C,C=D 引 言二 维 非 线 性 光 子 晶 体 的 概 念 是 由 2EF?EF 在 $&年 提 出 的 ,与 一 维 非 线 性 光 子 晶 体 仅 能 在 单 一 方向 上 进 行 光 学 频 率 变 换 相 比 ， 这 种 二 维 结 构 可 以 充分 利 用 非 线 性 极 化 率 在 二 维 平 面 内 规 则 分 布 的 优势 ， 实 现 多 个 方 向 上 的 准 相 位 匹 配 频 率 转 换 以 及 环形 腔 谐 频 等 非 线 性 过 程 %

4、(,但 是 ， 二 维 周 期 非 线 性光 子 晶 体 有 一 个 显 著 缺 点 ， 就 是 它 在 一 个 方 向 上 只能 提 供 一 个 独 立 的 倒 格 矢 ， 这 使 得 该 方 向 上 的 准 相位 匹 配 频 率 变 换 的 波 长 不 能 任 意 选 择 ,为 了 解 决 这一 问 题 ， 人 们 先 后 提 出 并 研 究 了 具 有 二 维 准 周 期 以及 二 维 非 周 期 结 构 的 非 线 性 光 子 晶 体 ， 进 而 实 现 了同 一 方 向 上 多 个 （ 甚 至 是 连 续 的 ） 波 长 的 同 时 频 率 变换 ) $,本 文 深 入 研 究 了

5、八 重 准 周 期 非 线 性 光 子 晶体 中 沿 基 矢 方 向 的 多 波 长 变 换 过 程 ， 并 对 其 波 长 以及 温 度 调 谐 特 性 进 行 了 实 验 研 究 ， 其 结 果 对 于 准 晶非 线 性 光 子 晶 体 在 实 际 当 中 的 应 用 具 有 重 要 作 用 ,%D 实 验实 验 中 所 采 用 的 铁 电 材 料 是 厚 度 为 #D 55， 大小 为 %# 55 G %# 55， ! 向 切 割 的 光 学 级 H7IJK*晶体 ， 利 用 外 加 高 压 脉 冲 电 场 的 方 法 在 室 温 下 进 行 极化 ,首 先 在 晶 体 的 L ! 面

6、上 镀 一 层 光 刻 胶 ， 然 后 利 用已 经 制 作 好 的 掩 模 版 在 光 刻 胶 层 上 进 行 光 刻 ， 掩 模版 上 的 晶 格 图 案 被 转 移 到 光 刻 胶 层 上 ,用 K 形 圈 将导 电 液 限 制 在 晶 体 的 两 个 表 面 ， 形 成 为 两 个 液 体 电极 ， 通 过 导 电 液 对 晶 体 进 行 加 电 压 极 化 ， 所 加 电 压 约为 %( MNO55D 将 极 化 好 的 晶 体 放 入 P0 酸 中 腐 蚀# ( 57=， 利 用 酸 对 晶 体 两 表 面 腐 蚀 速 度 的 不 同 ，可 使 极 化 图 形 清 晰 显 现 ,图

7、 给 出 了 八 重 准 晶 非 线性 光 子 晶 体 L ! 面 的 形 貌 图 ,准 晶 结 构 由 正 方 形 和菱 形 两 个 基 本 结 构 单 元 堆 砌 构 成 ， 正 方 形 和 菱 形 的边 长 Q D(!5， 反 转 畴 直 径 大 小 约 为 D)!5,PE4IE 激 光 沿 八 重 准 周 期 结 构 的 八 重 对 称 轴 入射 ， 得 到 该 结 构 的 衍 射 图 ， 如 图 %（ 6） 所 示 ,从 图 中 可以 知 道 ， 衍 射 图 中 的 强 衍 射 点 不 存 在 简 单 的 周 期 性 ，这 也 正 是 准 晶 格 的 典 型 特 点 ,为 了 标 定

8、 八 重 准 周 期晶 体 的 倒 空 间 ， 一 般 选 用 四 个 基 矢 ， 如 图 %（ J） ， 其 中!Q（ ， #）Q（ #） ，!%Q（ C:R（O） ， R7=（O） ） Q（ #） ，!*Q（ C:R（ %O） ， R7=（ %O） ） Q（ #） ，!Q（ C:R（ *O） ， R7=（ *O） ） Q（ #） ,在 以 上 的 方 程 中 ， 矢 量 的 表 示 是 在 传 统 的 二 维 笛 卡第 (& 卷 第 / 期 %#$ 年 / 月#4*%$#O%#$O(&（ #/） O)&(4#物 理 学 报.1S. TPUVW1. VWIW1.N:8,(8B， %#$#%#

9、$ 17=,TBR,V:C,图 ! 八 重 准 周 期 非 线 性 光 子 晶 体 ! 面 的 形 貌 图尔 坐 标 系 以 及 特 征 四 位 矢 量 标 示 下 完 成 的 #每 一 个基 矢 的 大 小 均 与 边 长 有 关 ， 可 表 示 为 ! $ %!&（!） !(#但 由 于 本 文 需 要 标 定 的 倒 格 矢 数 目 较 多 ，用 四 个 基 矢 来 逐 一 描 述 将 是 一 项 复 杂 且 没 有 太 多 意义 的 工 作 ， 因 而 我 们 只 用 一 个 下 标 对 后 面 要 用 到 的倒 格 矢 进 行 了 标 记 ， 如 图 )（ *） 所 示 #其 中 倒

10、 格 矢 对 应 基 矢 !， 倒 格 矢 % 对 应 !) !%#图 ) （ +） ,-./- 激 光 衍 射 图 ；（ *） 基 矢 以 及 倒 格 矢 分 布 示 意 图 ，箭 头 表 示 四 个 基 矢进 行 准 相 位 频 率 变 换 的 基 频 光 束 由 /0： 123 抽运 的 纳 秒 激 光 参 量 振 荡 器 提 供 # 其 闲 频 波 长 可 在(456 !46(7 范 围 内 进 行 连 续 调 节 ， 重 复 频 率 和 脉冲 宽 度 分 别 为 !( ,8 和 % 9:#基 频 光 束 通 过 焦 距 为!; 时 ， 它 们 的 倍 频 转 换 效 率分 别 为 ?

11、， )(， =， ;4?和 !46 #波 长!的 倍频 输 出 比 其 他 波 长 的 都 强 ， 这 主 要 归 结 为 以 下 二 个原 因 ： 首 先 是!用 到 的 倒 格 矢 具 有 最 大 的 傅 里 叶系 数 ， 其 次 是 晶 体 的 极 化 圆 柱 直 径 对 其 更 加 适 合 #图 倍 频 输 出 功 率 随 输 入 功 率 变 化 曲 线此 外 我 们 在 输 入 功 率 不 变 的 情 况 下 测 量 了 各 二次 谐 波 输 出 功 率 随 晶 体 温 度 的 变 化 曲 线 ， 如 图 % 所示 #实 验 显 示 ， 各 个 倍 频 信 号 的 温 度 调 谐 带

12、 宽 各 不 相同 ，!，!)，!，!%和!;对 应 的 温 度 调 谐 带 宽 分 别 为)5 A， ); A， !? A， ! A和 !( A， 显 然 ， 随 着 基 频 光波 长 的 变 短 ， 温 度 调 谐 带 宽 有 逐 渐 变 窄 的 趋 势 #我 们 还 测 量 了 各 二 次 谐 波 的 波 长 调 谐 变 化 曲线 ， 结 果 如 图 ; 所 示 #与 温 度 调 谐 相 似 ， 随 着 基 频 光波 长 的 变 短 ， 波 长 调 谐 带 宽 也 逐 渐 减 低 #!，!)，!，?6?%物 理 学 报 ;6 卷图 ! 倍 频 信 号 随 晶 体 温 度 的 调 谐 曲

13、线!和!对 应 的 波 长 调 谐 带 宽 分 别 为 #$! %&， $%&， $# %&， ($)* %& 和 ($+ %&, 长 波 段 有 利 于 得 到较 宽 的 波 长 调 谐 特 性 ,图 倍 频 信 号 随 晶 体 波 长 的 调 谐 曲 线!$ 理 论 分 析根 据 以 上 的 实 验 结 果 ， 我 们 进 行 了 下 面 的 理 论分 析 ,非 线 性 光 子 晶 体 中 准 相 位 倍 频 转 换 效 率!-.%/# !( )#， 其 中! 0 !#1 #!1 #， !， !#分 别 为基 频 和 倍 频 光 波 矢 ， # 为 倒 格 矢 ， 为 晶 体 长 度 ,

14、晶体 温 度 以 及 入 射 波 长 的 改 变 会 引 起! 的 变 化 ， 相应 倍 频 效 率 随 之 改 变 ,一 般 将 转 换 效 率 降 为 最 大 值一 半 时 对 应 的 温 度 或 波 长 范 围 称 为 调 谐 带 宽 （ 此 时!#0 ($!#)） ,首 先 分 析 波 长 调 谐 ， 波 长 的 改 变 只 影 响 !和!#， 对 # 和 都 没 有 影 响 ,#!( )#!0 #$#1 $( )!#!0 #$#!1#$#( )!2$#1 $!#!#，（ ）由#!( )#!0 (,!#)， 可 得 调 谐 带 宽 !0(,!#)!$#1 $!2#$#!1#$#!1,（

15、 #）显 然 随 着 波 长!的 增 大 ， 波 长 调 谐 带 宽 也 相 应 增大 ,与 波 长 调 谐 类 似 ， 我 们 进 行 了 温 度 调 谐 分 析 ,温度 不 仅 影 响 晶 体 的 折 射 率 （ 波 矢 ） ， 还 通 过 热 胀 冷 缩影 响 非 线 性 晶 体 的 周 期 和 长 度 ,#!( )#%0 #（ !#1 #!1 #）#%2（ !#1 #!1 #）#%， （ 3）晶 体 的 热 膨 胀 系 数 定 义 为#0#%， % 为 晶 体 温 度 ，则 有#%0#, 倒 格 矢 # 0#$， 则 有#%0 1#， 将其 代 入 （ 3） 式 ， 可 得 到#!( )#%0 （ !#1 #!）!$#!$#%2( )#, （ !）进 而 有!% 0(,!#)!#!$#%2#!$1 ， 温 度 调 谐 带宽 也 随 波 长 增 加 而 变 宽 ， 由 以 上 分 析 可 见 实 验 结 果与 理 论 分 析 有 比 较 好 地 符 合 ,$ 结 论本 文 利 用 外 加 电 场 的 方 法 ， 制 备 了 具 有 八 重 准周 期 结 构 的 铌 酸 锂 非 线 性 光 子 晶 体 中 ， 通 过 调 节 基频 光