【作者】 张丽；

【导师】 谷付星；

【作者基本信息】 上海理工大学 ， 光学工程， 2016， 硕士

【摘要】 将光纤技术与纳米技术结合起来,实现尺寸更小、性能更佳、集成度更高的纳米光子器件,是当前纳米光子学领域研究的一大热点。本论文着眼于光学纳米波导的独特性质,制备了新型纳米波导,研究其新的物理现象和光学效应,并将其应用于新的微纳光子器件中,从而为解决科学和技术难题提供新的思路。本论文制备了CdS、MoO₃及In掺杂的CdS纳米波导,通过倏逝波耦合法把光高效率、超紧凑的耦合进去,研究了其中的非线性光学效应,主要包括横向发射的频率转换效应、受激拉曼放大效应及超连续谱展宽效应等。在本工作的第一部分,主要介绍了微纳光子学的研究背景。首先,简要综述了纳米线波导研究的发展历史,并介绍了其在非线性光学器件及应用方面的初步探索。同时,介绍了几种基本的非线性光学现象:和频与差频产生、谐波产生、双光子吸收等。本文第二部分研究了光学纳米波导的导波特性。首先通过激发光直接照射法和导波激发法两种作用方式的比较,发现导波激发法可以大大增强光与纳米线的作用效果。然后简单介绍了本实验中需要用到的实验设备及微纳操作,包括光纤探针与微纳光纤的制备,显微镜图片采集与光谱收集的光路装置等。在本文第三部分,详细的介绍了纳米线波导的制备方法与流程以及纳米波导的特性表征。采用目前常用的气—液—固（VLS）法,并分别介绍了三种不同材料的纳米波导制备。使用高分辨率的扫描电子显微镜（SEM）与透射电子显微镜（TEM）对纳米波导的特性进行表征。发现其直径均匀、表面光滑,为后续波导的非线性光学特性的测试研究提供重要的基础。在本文第四部分,重点研究了半导体纳米线的非线性光学特性,包括CdS和ZnSe的纳米线与纳米带,MoO₃纳米带,以及In掺杂的CdS并对纳米波导的应用作了简短的介绍。首先通过探究半导体纳米线与纳米带中的横向频率转换的二次谐波与和频,我们发现,与传统的双折射方法相比,横向频率转换表现出很有吸引力的光学特征,比如较低的发散角度、更高的偏振度,以及可调节的空间分布,这些在纳米线与纳米带中都可以观察得到,并且在单模条件下,纳米波导的偏振方向更高,在高阶模式下纳米波导的空间分布调节度更高等特性。其次,制备了单根MoO₃纳米带纳米波导,具备较低的光学损耗,在可见光与近红外波段有很宽的传导带宽。我们发现光学损耗很大程度上取决于MoO₃材料的本征吸收以及纳米波导的截面尺寸,在紫外波段的强烈吸收限制了它的光谱带宽。MoO₃纳米带的拉曼增益与其他的半导体纳米波导相当,而倍频产生效率要比通常的半导体纳米波导低4个数量级,并且即便在很高的泵浦功率下也没有明显的三阶非线性光学效应出现。并对其光子集成的潜在应用进行了研究。最后我们制备了铟掺杂的硫化镉纳米带并对其非线性光学效应进行了初步研究。通过输入532nm连续光的激发,发现其很容易出现超连续谱,且其出现位置会随着激发功率变化而移动。更多还原

【Abstract】 This paper mainly focuses on the unique properties of the optical nano-waveguides,the novel fabrication method of the new type nano-waveguides,discovery of the physics phenomenon and the optical effects.These new researches will be applied to the novel micro-nano optical devicesFirstly,this paper studies the waveguide properties of the optical nano-waveguides.A comparison is made to illustrate the differences between the two excitation methods:the direct irritation of the exciting light and the waveguide irritation.Then,the unique optical properties of the propagating light within the optical single nanowires is studies,e.g.the large scale regulative ability of the evanescent field,the mode polarization,the dispersion properties of the extraordinary wave and the surface enhanced effect.Secondly,the fabrication method and the procedure of the nano-wire waveguide and the characteristic of the nano waveguide are thoroughly studied.A conclusion can be drawn that the nano waveguide having a uniform and smooth surface can be fabricated by using the VLS method which provides a theoretical foundation for testing the non-linear optical properties of the waveguides.In addition,this paper also focuses on the nonlinear optical properties of semiconductor nanowires,which includes the nanowires and nanoribbons of CdS and ZnSe,and MoO₃ nanoribbons.A brief introduction of the nano-waveguide applications is also contained.Finally,the research of its application.Owe to these excellent properties of nano waveguides,the new photonic devices based on nano-waveguide core has been researched widely and deeply in many fields.These devices,such as beam splitter,sensors,filters,interferometers,gratings,etc,will play a guiding role in the development of science in the future.更多还原