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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

3-5μm中红外激光具有很强的大气穿透能力，在高灵敏痕量气体检测以及光谱测量领域有着重要的应用价值。因为许多重要气体分子（如ch₄、co、no_x、so_x）在中红外波段存在强烈的基带吸收，其吸收强度比在近红外波段高2-3个数量级。迄今，基于不同激光产生机理出现了多种中红外光源，如量子级联激光器、铅盐激光器等。但就现有技术水平而言，这些激光器仍存在诸如需低温制冷、价格昂贵等问题，在高灵检测应用中存在一定的局限。另一方面，基于非线性晶体进行频率变换，特别是dfg方法，具有结构简单、调谐方便、室温运转和无阈值限制等优点,是获取中红外激光一种有效的途径。其中，由于周期极化铌酸锂晶体(ppln)具有较高的非线性系数、较宽的通光范围且成本低廉等优势,特别是通过在ppln晶体中掺入一定摩尔比的mgo，大大提高了晶体材料的抗光损伤阈值，使得该晶体在集成光学和激光变频领域受到格外的青睐。

目前基于mgo:ppln中红外差频产生激光光源有两种技术，一种是基于块状mgo:ppln晶体的非线性频率转换技术，另一种是基于波导的非线性频率转换技术。对基于块状mgo:ppln晶体的中红外差频光源而言，其具有价格便宜、性能稳定、输出光束质量好，但其突出的缺点是由于光斑尺寸与晶体长度之间存在制约，这使得dfg的转换效率较低。若将mgo:ppln晶体做成mgo:ppln波导结构，可以将激光光束约束在截面积很小的区域内传输，可极大地提高中红外差频转换效率。对于差频产生中红外波导器件而言，主要有钛扩散波导和直接键合波导。但是采用这两种方法制备的波导存在一些缺点：钛扩散波导抗光折变性能差，转换效率低。直接键合波导制备成本高、难度系数大。而通过退火质子交换制备波导产生中红外可克服上述不足，既不会引入光折变损伤，也降低了制备成本。

国内外研究现状

对于退火质子交换理论和工艺方法的研究，国外开展的比较早也比较成熟。在上世纪八十年代初，jackel和rice等人就报道了利用质子交换来制备linbo₃波导的工艺方法。随后又有一系列的研究成果不断涌现。2011 年，加拿大麦克马斯特大学徐长青教授研究组首次利用退火质子交（ape）技术制备了mgo:ppln 脊波导，在绿光倍频实验中获得了高达53%的光光转换效率。目前尚无利用ape mgo:ppln脊波导获得高效中红外差频转换的研究报道。其主要技术难点在于，退火质子交换工艺制备的波导存在波导区域折射率渐变分布的特点，这使得该器件在用于中红外差频转换时存在基频光和闲频光模场分布重叠因子小，转换效率低等问题。如何将这种新型晶体脊波导的差频应用拓展至中红外波段，充分利用成熟的退火质子交换工艺和脊波导的优良特性依然是该领域的一个难点。

国内也在九十年代初开始了对退火质子交换波导的研究，国内也有很多论文和成果发表，对于mgo:ppln波导，根据光在传播方向上受到的限制，波导可以分为平面光波导（在一个方向上限制光场）和条形光波导（在两个方向上限制光场）。研究表明，若将平板波导制备成脊形结构，由于脊形波导上表面和两个侧面直接与空气接触，折射率对比度高，对激光光束具有很强的约束能力，可有效提高激光变频效率。且脊形波导具有非常优越的抗光折变性能，增强了波长转换的稳定性，提高了波长的转换效率。国内北京世维通科技发展公司采用退火质子交换法或ti扩散法制备出铌酸锂波导调制器，并已经商业化应用于光纤传感，相干光通讯等领域，但波导的输入光功率必须小于20mw。目前适用于全光信号处理的铌酸锂光波导器件制备技术在国内尚属空白，生产具有自主知识产权的铌酸锂波导器件对全光通信具有重要意义。

2. 研究的基本内容

本次研究主要是针对脊波导结构设计及特性表征等问题。具体研究内容如下：

1、研究退火质子交换铌酸锂光波导折射率分布。

2、根据波导模式有效折射率法，在保证基频光和闲频光正常传输的情况下，确定波导尺寸。

3、依据波导结构尺寸，采用有限元法分析不同波长激光在脊波导中模场分布情况。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

2015.11.15-2016.12.14 了解退火质子交换基本方法理论

2016.12.15-2016.1.14学习仿真软件及matlab软件的基本使用

2016.1.15-2016.2.4研究退火质子交换折射率分布

2016.2.5-2016.3.4 研究退火质子脊波导结构设计和模场理论特性分析

4. 参考文献

[1] 曹霞, 夏宇兴, 杨艺,等. z切linbo₃晶体中退火质子交换光波导特性的研究[j]. 光学学报, 2000, 11期(11):1499-1503.

[2] 符运良, 袁一方, 金国良,等. 新的质子源质子交换制作的z切linbo₃光波导特性[j]. 中国激光, 2004, 第9期(09):1041-1044.

[3] o. tadanaga,t. yanagawa,y. nishida, et al. efficient 3 m difference frequency generation using direct-bonded quasi-phase-matched linbo₃ ridge waveguides[j]. applied physics letters, 2006, 88(6):061101-061101-3.