【摘 要】
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光学超晶格主要是指二阶非线性系数受到人工调制的微结构材料,其调制周期与光波的波长相比拟,通常为微米量级。铌酸锂(Lithium Niobate,LN)是最常用的光学超晶格材料之一,可
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光学超晶格主要是指二阶非线性系数受到人工调制的微结构材料,其调制周期与光波的波长相比拟,通常为微米量级。铌酸锂(Lithium Niobate,LN)是最常用的光学超晶格材料之一,可以用来研究非线性光学现象,并恰好可以通过准位相匹配理论去补偿非线性过程中的位相失配,以此来产生或是调控非线性光学效应。本论文主要研究的是通过铁电畴反转制备光学超晶格,以及其在非线性光学方面的应用。具体包括以下几个部分:1.介绍介电体超晶格的概念与发展历程,从一维的周期结构到任意的二维结构,并着眼于其在非线性光学方面的应用,然后结合准位相匹配的理论,分析了光学超晶格在非线性频率转换中的作用;2.梳理了通过铁电畴反转制备光学超晶格的方法,包括生长条纹法、化学扩散法、电子束直写法、外加电场极化法等,重点研究了铌酸锂畴极化的过程与性质,主要包括五个过程:分别是反转畴的成核、反转畴的纵向生长、反转畴的横向扩张、反转畴的横向合并与自发的背向反转效应;3.详细介绍了我们制备图案极化铌酸锂薄膜的工艺流程,在外加电场极化法的基础上,我们不断改进工艺水平,优化工艺参数,能够在30-50 μm厚的铌酸锂晶体薄膜中,制备出任意的、二维的、均匀的、贯穿的、长期稳定存在铁电畴结构。通过选择性刻蚀之后,我们可以在光学显微镜下清晰地看到铌酸锂晶体薄膜的铁电畴结构;4.我们的制备方法具有很多优点,相比于传统的500 μm厚的铌酸锂晶体,这种极化方法易于操作,不需要苛刻的外部条件,本论文中所有的极化过程都是在常温常压下进行的。这种厚度的的LN晶体薄膜的铁电畴结构能够长期稳定的存在,不会消退;5.理论上分析了非共线的非线性倍频过程,主要包括非线性拉曼奈斯衍射及非线性切伦科夫衍射,分别是横向的位相匹配与纵向的位相匹配过程。然后我们利用制备的图案极化铌酸锂薄膜进行了实验验证,实验结果与理论计算十分吻合;6.最后,我们将全息技术引入非线性光学领域,基于制备的图案极化铌酸锂薄膜,可以对倍频光进行波前整形。在实验上,我们通过叉形光栅结构产生了倍频涡旋光,并设计了同心圆结构与分立点阵结构的铁电畴,产生了不同的非线性波前。
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