專利名稱：一種提高微光纖表面二次諧波轉(zhuǎn)換效率的結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微結(jié)構(gòu)，具體涉及一種微光纖槽型結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
諧波產(chǎn)生是一種普遍的非線性現(xiàn)象，能用于產(chǎn)生可見(jiàn)光區(qū)和紫外光區(qū)的光。
嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，二次諧波產(chǎn)生(SHG)在石英光纖中不會(huì)發(fā)生，因?yàn)槎趸?SiO2)玻璃結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為反演對(duì)稱性，源于二階極化率x(2)的所有非線性效應(yīng)都不會(huì)產(chǎn)生。然而，幾個(gè)早期的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)Nd: YAG激光器產(chǎn)生的I. 06 μ m強(qiáng)泵浦脈沖在光纖中傳輸時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生二次諧波。和頻與二次諧波過(guò)程的轉(zhuǎn)換效率約為O. 1%，如此高的轉(zhuǎn)換效率是纖芯-包層界面的表面非線性和源于電四極矩及磁偶極矩的非線性所無(wú)法解釋的，因此必然存在某些其他機(jī)制導(dǎo)致了石英光纖中的SHG現(xiàn)象。
這一機(jī)制的最初線索是在1986年發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)如果用泵浦光將某些光纖照射幾個(gè)小時(shí)，則二次諧波功率就會(huì)大幅增長(zhǎng)，最大轉(zhuǎn)換效率可達(dá)3%。這一實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致對(duì)光纖中SHG的廣泛研究。結(jié)果表明，當(dāng)用某些波長(zhǎng)的強(qiáng)輻射對(duì)光纖進(jìn)行曝光后，由于光纖的光敏特性，其光學(xué)特性將被永久性地改變。使纖芯折射率增大的摻雜物，如鍺和磷，能夠增強(qiáng)光線的光敏特性。這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可由泵浦光和二次諧波的多光子過(guò)程形成的X⑵光柵所解釋。在該模型中，X⑵光柵通過(guò)量子干涉效應(yīng)產(chǎn)生，這種效應(yīng)導(dǎo)致了取決于泵浦光和二次諧波相對(duì)相位的電子注入過(guò)程。這種電荷轉(zhuǎn)移模型在定性結(jié)果上與觀察到的大部分特征相符口 ο
而最近的一個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在作用長(zhǎng)度僅為100 μ m的純二氧化硅納米線中可以觀察到顯著的二次諧波信號(hào)。由于純二氧化硅光敏特性很弱，因此不能用泵浦光和二次諧波多光子過(guò)程形成的X⑵光柵模型解釋這一現(xiàn)象。實(shí)際上，由于納米線尺度相較普通光纖大大減小，界面的表面非線性和源于電四極矩及磁偶極矩的非線性對(duì)有效二階極化率X (2) 的貢獻(xiàn)需要重新考慮。二氧化硅納米線提供了更強(qiáng)的光功率密度，因此纖芯-空氣包層界面的表面非線性和源于電四極矩及磁偶極矩的非線性成為二氧化硅納米線(即微光纖， microfiber)中SHG現(xiàn)象的主要機(jī)制。此外，纖芯和空氣包層較高的折射率對(duì)比度使得基模與二階模間的二次諧波相位匹配成為可能。
本發(fā)明正是利用這一機(jī)制，通過(guò)槽型(slot)微結(jié)構(gòu)增大微光纖的表面積，增強(qiáng)微光纖表面二次非線性交疊積分，從而提高微光纖表面二次諧波的轉(zhuǎn)換效率。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種微光纖槽型結(jié)構(gòu)，通過(guò)沿微光纖長(zhǎng)度方向的槽增大微光纖的表面積，并由槽型結(jié)構(gòu)引入更大的光纖表面光場(chǎng)強(qiáng)度，從而增強(qiáng)表面的二次非線性交疊積分，提高表面二次諧波轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
—種提高微光纖表面二次諧波轉(zhuǎn)換效率的結(jié)構(gòu)，在拉錐微光纖沿其長(zhǎng)度方向上開(kāi)有凹槽結(jié)構(gòu)，所述凹槽位于拉錐微光纖的腰部。
所述凹槽的截面可以是矩形、V字型、圓角矩形等形狀，不限于單槽結(jié)構(gòu)，還可以是雙槽及多槽結(jié)構(gòu)。凹槽的槽寬小于微光纖腰部直徑，槽深小于或等于微光纖腰部直徑，槽深取微光纖腰部直徑時(shí)可得到最優(yōu)轉(zhuǎn)換效率。
高二次諧波轉(zhuǎn)換效率的微光纖在光纖激光器、超連續(xù)譜光源等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，提高二次諧波轉(zhuǎn)換效率對(duì)微光纖在非線性光學(xué)中的應(yīng)用具有很大的促進(jìn)作用。本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)能有效增強(qiáng)微光纖表面二次非線性交疊積分，從而提高微光纖表面二次諧波的轉(zhuǎn)換效率，具有一定的實(shí)際意義。
圖I是本發(fā)明微光纖槽型結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2是圖I單槽型結(jié)構(gòu)微光纖截面示意圖，其中hs、Ws分別為槽高和槽寬，nair, ns 分別是空氣和二氧化硅的折射率，d是微光纖的直徑。
圖3是微光纖直徑d與二次諧波匹配波長(zhǎng)λ SHG的關(guān)系曲線圖。
圖4是圓形微光纖和單槽型結(jié)構(gòu)微光纖交疊積分絕對(duì)值I P 21與二次諧波匹配波長(zhǎng)Asffi的關(guān)系曲線圖。
圖5是已經(jīng)提出的一種微光纖微納結(jié)構(gòu)，其中n&、ns分別是空氣和二氧化硅的折射率。
圖6是雙槽型結(jié)構(gòu)微光纖截面示意圖，其中hsl、hs2為槽高，wsl、ws2為槽寬，ds為槽間距，nair,ns分別是空氣和二氧化硅的折射率。
圖7是圓形微光纖和雙槽型結(jié)構(gòu)微光纖交疊積分絕對(duì)值I P 21與二次諧波匹配波長(zhǎng)Asffi的關(guān)系曲線圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
以纖芯是二氧化硅、包層是空氣的拉錐微光纖為例，本發(fā)明的原理如下
忽略泵浦損耗，采用小信號(hào)極限近似，SHG過(guò)程可以用下列方程表述A
—1 ----- ip, Af εχρ(/Δ^3:) = 0ι >dz _
其中A1, A2分別是基模和二次諧波信號(hào)光場(chǎng)的振幅，Λ β =2 β「β 2是基模和二次諧波有效傳播常數(shù)的失配量(波矢失配量)，P 2是交疊積分，
Pi = ^--Je2-Pt2VtSU」
其中《2是二次諧波的角頻率。積分在光纖截面上進(jìn)行，dS是積分面積元。場(chǎng)分量都經(jīng)過(guò)歸一化，歸一化因子為
Nj = + j"| (V, Xh. 丨 dS (j = 1,2)( ■>)
導(dǎo)模的電場(chǎng)和磁場(chǎng)可以分別表不為
E(r, (Oj) =Aj (Coj) ej (r, (Oj) exp (i (β jZ-(Ojt)) (4)
H(r, ω」)=Aj (ω」)hj (r, ω」)exp (i ( β」ζ_ω」t)) (5)
Ρ(2)是二階非線性極化強(qiáng)度，分別來(lái)自光纖表面偶極子和體多極子兩方面的貢獻(xiàn)。 通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)及計(jì)算可知，體多極子對(duì)Ρ(2)的貢獻(xiàn)相較于光纖表面偶極子的貢獻(xiàn)可以忽略， 因此二階非線性極化強(qiáng)度可以近似用表面二階非線性極化強(qiáng)度代替，
權(quán)利要求
1.一種提高微光纖表面二次諧波轉(zhuǎn)換效率的結(jié)構(gòu)，其特征在于，拉錐微光纖沿其長(zhǎng)度方向上開(kāi)有凹槽結(jié)構(gòu)，所述凹槽位于拉錐微光纖的腰部。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高微光纖表面二次諧波轉(zhuǎn)換效率的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述凹槽的截面為矩形、V字形或者圓角矩形；所述凹槽的數(shù)量為單個(gè)或多個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種提高微光纖表面二次諧波轉(zhuǎn)換效率的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述凹槽的槽寬小于微光纖腰部直徑，槽深小于或等于微光纖腰部直徑。
全文摘要
本發(fā)明提出一種提高微光纖表面二次諧波轉(zhuǎn)換效率的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具體為在拉錐微光纖沿其長(zhǎng)度方向上的凹槽結(jié)構(gòu)，所述凹槽位于拉錐微光纖的腰部。凹槽的截面可以是矩形、V字型、圓角矩形等形狀，并且不限于在微光纖上設(shè)置單槽結(jié)構(gòu)，還可以是雙槽及多槽結(jié)構(gòu)。本發(fā)明槽型結(jié)構(gòu)的引入能增大微光纖表面積，并能有效增強(qiáng)光纖表面光場(chǎng)強(qiáng)度，從而增強(qiáng)微光纖表面二次非線性交疊積分，進(jìn)而提高微光纖表面二次諧波的轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)G02F1/35GK102929070SQ20121046563
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月19日
發(fā)明者徐飛, 羅煒, 陸延青, 胡偉 申請(qǐng)人:南京大學(xué)(蘇州)高新技術(shù)研究院