（光学专业论文）有机分子掺杂极化聚合膜波导的光倍频研究.pdf

丫 6 5 2 5 1 7 摘要 有机分子掺杂极化聚合膜波导的光倍频研究 光 禾 硕士研究生 学 与 工 程系光学 专业 阎 结 均指导教师盆 雷_ 教授 摘要 光通讯的迅猛发展带动了相关光子学及其光电子学材料和器件的发 展。其中光倍频得到了广泛的研究，首先由于它是光子学理论的一个重要 组成部分，其次是有着重要的应用价值:如将近红外光倍频获得的蓝绿光 源可用于高密度的光数据存储，激光打印和显示等方面。获得高效率的倍 频转换，取决于两个方面:一是要有二阶非线性极化率大的材料;作为一 种新型的非线性光学材料， 有机材料与 l i n b 0 3 晶体和i l l - v 族半导体相比 具有许多独特的优点，如非线性系数大、响应速度快、损伤闽值低、透明 区域广、易于合成和制备成膜、价格低等，因此近年来在非线性光学领域 成为国内外研究的热点。二是要选择合适的位相匹配技术;位相匹配技术 是光倍频的一个关键内容，c e r e n k o v位相匹配和准位相匹配是两种被广泛 研究的位相匹配技术。 研究内容和取得的结果如下: 第一，从传输损耗、吸收、二次谐波产生和光漂白特性几个方面对非 线性有机分子掺杂的聚合膜的光学性质进行了研究。实验发现氰基团的加 入对有机分子掺杂的极化聚合膜的稳定性会有较大的提高，同时也会增加 其二阶非线性极化率。同时实验中还对十几种实验室自己合成的有机分子 i 摘要 的光学性质进行了研究。 第二，对c e r e n k o v 位相匹配和准位相匹配两种位相匹配技术进行了研 究。根据非线性光学的祸合波理论对周期性极化率和均匀极化率三层波导 的c e r e n k o v 光倍频效率进行了定性讨论和定量计算，并在实验上用棱镜祸 合的方法实现了c e r e n k o v 光倍频， 倍频效率最大可以 达到1 0 即 c m 。 对准位 相匹配的理论进行了研究:结合具体的波导材料在理论上计算得到实现准 位相匹配所需的极化率周期，在实验上利用先极化再加掩模板光漂白的方 法制得了周期性极化率的光波导，并通过测量 s h g对周期性极化率的分布 进行了观测;对不同波长下样品的非线性极化率以理论和实验相结合的方 法进行了研究。 关键词: 光波导， 极化聚合膜， 二阶 非 线性光 学， 位相匹 配 乡 酥 乙 :作矜、 导幼粉 铃 幼全 一义 一 识 、 衣 摘要 r e s e a r c h o f f r e q u e n c y d o u b l i n g i n o r g a n i c m o l e c u l e d o p e d p o l y m e r w a v e g u i d e s 系光学专业 硕士研究生阎 结 的 指导教师徐 雷 教授 ab s t r a c t t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n b r i n g s a l o n g t h e d e v e l o p m e n t o f t h e m a t e ri a l s a n d d e v i c e s f o r p h o t o n i c s a n d p h o t o - e l e c t r o n i c s . f r e q u e n c y d o u b l i n g b e c o m e s t h e f o c u s r e s e a r c h fi e l d , b e c a u s e it i s n o t o n l y a fu n d a m e n t a l c o m p o n e n t o f o p t i c s t h e o ry , b u t a l s o h as i m p o r t a n t v a l u e i n p r a c t i c a l ity . f o r e x a m p l e , a c o m p a c t b l u e o r g r e e n c o h e r e n t l i g h t s o u r c e o b t a i n e d b y d o u b l e fr e q u e n c y o f n e a r i n fr a r e d i s e s s e n t i a l f o r h i g h - d e n s i t y o p t i c a l d a t a s t o r a g e , l as e r p ri n t i n g a n d d i s p l a y a p p l i c a t i o n s . h i g h e f f i c i e n c y o f f r e q u e n c y d o u b l i n g l i e s o n t w o a s p e c t s . o n e i s t h e m a t e ri a l w i t h h i g h s e c o n d o r d e r n o n l i n e a r c o e ff i c i e n t . a s a r e l a t i v e n e w c o m e r s c o m p a r e d t o i n o r g a n i c s i n g l e c ry s t a l l i n b 0 3 a n d i ii - v s e m i c o n d u c t o r s , t h e o r g a n i c m a t e r i a l s h a v e m a n y a tt r a c t i v e f e a t u r e s , s u c h as la r g e n o n l i n e a r o p t i c a l c o e f fi c e i e n t s , u l t r a f as t r e s p o n s e s p e e d , h i g h d a m a g e t h r e s h o l d s , b r o a d t r a n s p a r e n t r a n g e s , e a s y p r o c e s s a b l i ty a n d l o w c o s t s o t h a t b e c o m e t h e f o c u s r e s e a r c h fi e l d i n d o m e s t i c a n d a b r o a d i n r e c e n t y e a r s . t h e o t h e r i s t h e p h a s e - m a t c h i n g t e c h n i q u e . p h as e - m a t c h i n g t e c h n i q u e i s a k e y f a c t o r t o f r e q u e n c y d o u b l i n g . c e r e n k o v p h a s e - m a t c h i n g a n d q u a s i - p h a s 。 一 m a t c h i n g a r e t w o i m p o r t a n t p h a s e - ma t c h i n g i i i 摘要 t e c h n i q u e s , w h i c h h a v e b e e n r e s e a r c h e d w i d e l y . t h e m a in r e s e a r c h c o n t e n t s a n d r e s u l t s a r e p r e s e n t e d as t h e f o l l o w i n g : f i r s t , t h e o p t i c a l p r o p e rt i e s o f c o r o n a p o l e d g u e s t - h o s t t y p e p o l y m e r f i l m s w e r e e x p e r i m e n t a l l y s t u d i e d o n s o m e a s p e c t s i n c l u d i n g p r o p a g a t i o n l o s s , a b s o r b a n c e , s e c o n d h a r m o n i c g e n e r a t i o n ( s h g ) a n d p h o t o b l e a c h i n g p r o p e rt y . w e p r o v e t h a t t h e a d d i t i o n o f c y a n o s i d e g r o u p s c a n r e m a r k a b l y i m p r o v e t h e m o l e c u l e d o p e d p o l y m e r p h o t o - s t a b i l i ty a s w e l l as i t s h y p e r p o l a r i z a b i l i t y . a b o u t d o z e n k i n d s o f n e w s y n t h e s i z e d o r g a n i c m o l e c u l e s h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d . s e c o n d , c e r e n k o v p h as e - m a t c h i n g a n d q u a s i - p h a s e - m a t c h i n g h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d . t h e q u a l i t a t i v e e x p l a n a t i o n a n d t h e q u a n t i t i v e c a l c u l a t i o n o f c e r e n k o v s e c o n d h a r m o n i c g e n e r a t i o n w i t h b o t h u n i f o r m a n d p e r i o d i c p o l a r i z a b i l i ty s a n d w i c h w a v e g u i d e a r e g iv e n . t h e c e r e n k o v fr e q u e n c y d o u b l i n g h as a l s o b e e n r e a l i z e d e x p e r im e n t a l ly , o f w h i c h t h e h i g h e s t c o n v e r s i o n e ff i c ie n c y i s 1 0 3 / c m . q u a s i - p h a s e - m a t c h in g t h e o ry h a s b e e n r e v i e w e d a c c o r d i n g t o t h e t h e o ry a n d p a r a m e t e r s o f p r a c t i c a l m a t e r i a l t h e p e r i o d v a l u e o f p o l a r i z a b i l i ty t o s a t i s f y t h e q u as i - p h as e - m a t c h i n g i s c a l c u l a t e d a n d t h e w a v e g u i d e w i t h t h e p e r i o d i c p o l a r i z a b i l i ty h a s b e e n f a b r i c a t e d . t h e d i s t r i b u t i o n o f p e r i o d i c p o l a r i z a b i l t y h a s b e e n m e as u r e d b y s h g . t h e s e c o n d p o l a r i z a b i l i ty o f s a m p l e u n d e r d i ff e r e n t w a v e l e n g t h h as b e e n i n v e s t i g a t e d b o t h t h e o r e t i c a l l y a n d e x p e r i m e n t a l l y . k e y w o r d : w a v e g u i d e , p o l e ds e c o n d n o n l i n e a r o p t i c s , p h a s e m a t c h i n g 第一章绪论 第一章绪论 本章介绍了 课题的研究意义.较为详细的介绍了 极化聚合膜的研究历 史、 应用、非线性的微观和宏观起源和极化原理。同时介绍了 位相匹配方 法的 研究意义及种类，并重点介绍了 准位相匹 配的研究现状及周期性极化 率的实现方法. 1 . 1引言 光倍频的研究是光子学理论的一个重要组成部分， 是非线性光学最基本 的内 容。 实用方面将近红外光倍频获得的 蓝绿光源在高密度的光数据存储， 激光打印和显示等方面有着重要的应用，同时倍频器件是光通讯的发展中 最不可缺少的关键光子学器件。 所以 研究光倍频的光子学基础与器件将是 一个有重要意义的课题。 获得高效率的倍频转换， 取决于两个方面: 一是要有二阶非线性极化率 大的材料;二是要选择合适的位相匹配技术;两者缺一不可。 1 . 2极化聚合膜 极化聚合膜就是把含有非中心对称分子结构的有机分子的聚合物通过 电场诱导变成宏观统计意义上非中心对称，在激光作用下显示出大的宏观 二阶非线性光学特性的材料。 极 化 聚合 膜的 研究 是 从八 + 年 代开 始的。 1 9 8 2 年， m e r e d it h f l 等 首 先 报 导 了 极 化 掺 杂 聚 合 物 薄 膜 显 示 出 大 的 宏 观 二 阶 非 线 性 光 学 系 数x 19 , = l p m / v 第 1页 第一章绪论 ( 基频光波长 1 .0 6 p m ) 。最初对极化聚合膜的研究主要是主客体掺杂体系 2 ,3 ,4 ,5 ,6 1 ， 即把非线性有机分子均匀地掺杂在通用高分子材料中。 利用这种方 法制备非线性材料对主体的要求是具有良 好的成膜性和透明性，玻转温度 高;研究最广泛的主体聚合物是聚甲基丙烯酸甲r a ( p m m a ) 和聚苯乙烯 ( p s ) ， 还有聚乙 烯醇、 聚碳酸酷、 聚醚、 聚亚 胺酷、 环氧树脂。 对客体的 要 求是分子的二阶极化率大，在工作波段吸收系数小，与主体的相溶性好。 优点是制备简单;缺点是受主客体相溶性的限制，客体非线性有机分子的 含量不高，因而，极化聚合膜的二阶非线性系数也就不大，而且由于客体 以分子分散状态存在于聚合物中，其取向弛豫很快。而这种非线性的弛豫 往往是与掺杂体系的玻转温度紧密相关的，随后人们转向对有机分子掺杂 热固型聚合物体系的研究7 .8 1 ， 但在极化过程中，需要的 温度较高，对有机 分子破坏较大，因此耐高温的新型非线性有机分子的设计和合成，成为有 机分子合成的必然趋势。另一方面，为得到高效高稳定性的极化聚合物， 提出并合成了把非线性有机分子键合到高分子链的共聚物材料，有侧链型 91 ， 主 链型 10 】和 交 联型 1 1 几 种。 近期，人们对极化聚合物方面的研究工作主要致力于极化聚合物的一 些机理 1 2 , 1 3 1 ， 高稳定 性， 大的非 线性系数材料( 1 4 , 1 5 ,1 6 1 的 制备 及器件化1 1 7 的 研 究。 1 . 2 . 1极化聚合物中有机分子的微观非线性起源18 1 组成有机分子的原子可产生两类具有不同性质的轨道:。轨道和二 轨 道。 两者是通过相对于核间轴a -b的对称性来区分的， 轴对称的是a 轨道， 而7 n 轨道则是含有一个包含a b轴的节平面， 如在苯和乙烯中就存在这样的 兀 电子云分布。形成兀 键的原子数目大于或等于3 个时，称为离域二 键，具 有离域兀 键的分子称为共扼分子。 具有对称性结构的共扼分子的兀电子云是 第 2页 第一章绪论 对称分布的， 如果引入取代基使兀 电子云的分布畸变， 就可以使分子具有极 性。以 苯环为例，如果用硝基( n 0 2 ) 作取代基并在间位用氨基( n h 2 ) 来取代， 那么苯的n 电子云会发生变化: 氨基会转移一部分净的电荷给苯环， 硝基则 因其电负性而把苯环上的二 电子拉向硝基。 一般地， 可以把取代基分为电子 受体和电子给体两大类:如果取代基可以从共扼分子吸引电子，如 n 0 2 , c n , c o n h 2 属于电 子受体: 如果取代基可与共扼分子共享某些电子电 荷 而属于电 子给体， 如n ( c h 3 ) 2 , n h 2 , o h等。 这种分子模型可以 称为d 一 二 一 a 的共轨分子模型。 当在分子上加有一个电场 e时，分子内电荷就移动而使偶极矩变化。 在外加电场小于内电场时偶极矩可展开为幕级数 p = tt + a e + p : e e +.( 1 . 1 ) 上 式中。 为线性电 极化率， p 为二 阶电 极化率， 也称为 一阶超极化率。 当 上 述电场为光电场时， 就可以产生光学的二阶非线性效应。 定量分析分子中。 和二 电子对偶极矩的贡献，可以得出 p = p 。 + p 盆( 1 .2 ) 其中二 电 子对p 的 贡献是主要的， 理 论 计算结 果为 r n = 3 y 11 / a ( 1 .3 ) 其中广/ a 近似为一 常数， 尹和了分别为n 电 子对三阶极化率y 和线性极化 率“的贡献。 这个式子给出了一阶超极化率与偶极矩的关系， 由此可知分子 的极性越大，分子的超极化率也就越大。 从分子的对称性进行定性地分析可以得知: 非线性超极化率的大小取决 于共扼分子的取代基的推拉电子能力，取代基的数目和共辘长度。取代基 的推拉电子能力越强，分子的极性就越强，由 1 .3 式知超极化率也就越大; 分子的共 e 长度越长，分子的超极化率也越大。 第 3页 第一章绪论 1 . 2 . 2极化聚合物宏观体系的非线性的起源 一个聚合物体系之所以是非线性的是由于它溶有取向排列的客体非线 性分子或它的链上包含有取向的非线性有机分子单元。为描述这些非零的 宏观的二阶非线性，一般用一维刚性取向气体模型来近似 1 9 ，即 x 33 = n r 3sf zm ( f 0 ) z (c o s 3 6 ) ( 1 .4 ) 其中， n 是分 子 密 度， f 是 局 域 场因 子， e 是 分 子 的固 有 偶极 矩1x 和极 化场马 的夹角。该模型近似的正确性取决于分子体系的分子间相互作用弱于分子 内相互作用的假设，因而材料的宏观性质就可由单独分子的相应性质来描 述， 也 就可把宏观的 非线性与其所含的非 线性有机分子的 微观非 线性p 联系 起来。 在由极性分子构成的电介质， 一个给定分子的局域场由于是周围所有的 粒子的偶极场对它的作用，是不同于外电 场单独对它的作用的。一个非线 性有机分子可被看作是一个点，处在一个各向同性的均匀极化的介质中， 局 域 场洛仑兹 校正因 子f 为 2 0 1 n 2 + 2 r = ( 1 . 5 ) 1 . 2 . 3极化聚合膜的极化过程 简单地说，制备极化聚合物非线性材料分为下面几个步骤如图 1 . 1 :首 圆一 曲 会 电肠 a r 盟11晶 f i g . 1 . 1 . 聚合膜的极化过程 第 4页 第一章绪论 先将非线性有机分子均匀地掺在聚合物中，制备成膜，此时，非线性有机 分子以各向同性排列，因此玻璃态的聚合物并不具备二阶非线性。然后将 含非线性有机分子的聚合物加热到某个温度以上，使材料呈高弹态，这样 掺杂的非线性有机分子在高弹态的基质中可自由转动。 保持材料的高弹态， 对聚合膜加上很高的外电场，经过一定时间的极化，使非线性有机分子按 电场方向有一定程度的取向排列。保持电场，使聚合膜冷却至室温，重新 成为玻璃态，把非线性有机分子的取向冻结下来，然后撤去电场。极化过 程在聚合膜中诱导了一个方向与外电场一致的极性轴，非线性有机分子沿 此方向取向。由极化过程知，非线性有机分子的净取向由分子的偶极矩在 外场中的位能与体系的热涨落之间的平衡所决定，即可用极化效率u表示 u = 生 k t ( 1 . 6 ) “ 是 非线 性有 机分 子的固 有 偶极 矩， f v 为 极 化电 场强 度， k 为 玻尔 兹曼 常 数， t为绝对温度。 使 聚合膜中 有机分 子取向 的 方 法分为电 场极化法 1 ,4 ,6 , 1 9 和光极化法2 1 两 类。电晕极化是电场极化的一种，目 前被广泛使用，如示意图1 . 2 。在针尖 f ig . 1 .2电 晕极化示意图 电极上加有几千伏高压，使其周围气体发生电击穿，由于针尖附近有极高 第 5页 第一章绪论 的电场，存在于其周围的气体电子能量被加速到足够使分子或原子解离的 程度.依据针尖放电的特性，或正或负的离子可以沉积于非线性聚合膜的 绝缘表面。这种方法使穿过样品的电场强度可超过4 mv / c m。一般情况下， 样品是以导电玻璃为基底的，电压是直接加在膜上的。有时为特殊需要样 品要做在别的玻璃上，在这种情况下，要在玻璃的另一面加一金属薄片做 为电极，就是将玻璃和薄膜一起极化。 对于平板电极极化和电 晕极化而言，由 于有机分子极性轴的方向与膜 平面垂直， 在膜平面内聚合物仍然是各向同性的， 因此体系具有。 m m或c - 对称。对二次谐波产生来说，当远离共振条件时，由k l e i n m a n对称可得到 d 3 1 = d 1 5 ; 极化膜只有两个非零的张量元山 3 和d 3 1 ; 而当u +l , d 3 3 = 3 d 3 1 a 1 . 3位相匹配方法 除了 选择合适的非线性材料外， 实现光倍频的另一个重要方面是选择合 适的位相匹配技术。人们采用了多种位相匹配的方法，包括利用晶体双折 射的 位相匹 配， 模式 色散 位 相匹 配 2 4 -2 s 1 , c e r e n k o v位相匹 配， 准位相匹 配 等等。在各种位相匹配方法中，c e r e n k o v位相匹配和准位相匹配成为人们 研究的热点。c e r e n k o v 位相匹配是一种导模一 衬底辐射型的位相匹配技术， 而准位相匹配是一种导模一 导模型的位相匹配技术，两者各有优点。有关 c e r e n k o v 和准位相匹配的基本原理详见下章。 准位相匹配的实现是相对比较因难的一步，困难在于周期性极化率的 产生。 人们很早就意识到多畴铁电液晶可以 用准位相匹配方法实现倍频转 换 2 9 1 。 七 十 年 代， z n s e , z n s等 旋 转 孪晶 材 料 被当 作 考 虑的 对 象 3 0 ,3 1 ,3 2 1 后来l e v i n e 3 3 1 等人 用周期电 场 来调 制非 线 性极 化率; 七 十 年代后 期， 有人 利 用非 线 性系 数交 变的晶 体 薄片 ( 如c d t e 3 4 1 . g a a s 13 5 ,3 6 1 l n 、 石 英 13 3 ) 堆来 第 6页 第一章绪论 在理论上，基于三层波导的模型，计算了对均匀极化率与周期性极化率的 倍频效率，给出了不同厚度和不同周期下的倍频效率的数值模拟 结果。在实验上，实现了c e r e n k o v 位相匹配的光倍频。用光漂白的方法制 成周期性极化光波导，检测了周期性极化率的结构。并对样品的s h g信号 与激发波长的依赖关系进行了理论分析和实验测量。 1 . 4参考文献 g .me r e d i t h , j .v a n d u s e n , d . w i l l i a m s , ma c r o m o l e c u l e s 1 5 , ( 1 9 8 2 ) , 1 3 8 5 . d . m. b u r l a n d , 凡d . mi l l e r , e t 吐，r e v . , 9 4 ( 1 ) , ( 1 9 9 4 ) , 3 1 . 12 3 s . r . ma r d e r , b . k i p p e l e n , e t a l ., n a t u r e , 3 8 8 . ( 1 9 9 7 ) , 3 4 5 k . d . s i n g e r , j . e . s o h n , s . j . l a l a m a , a p p l . p h y s . l e tt . 4 9 , ( 1 9 8 6 ) , 2 4 8 . h . l . h a m p s c h , j .ma c r o m o l e c u l e s , 2 3 , ( 1 9 9 4 ) , 3 6 4 8 1.jl.j 4气 f.lf.l 6 k . d . s i n g e r , j . e . s o h n , e t a l ., a p p l . p h y s . l e tt . 5 3 , ( 1 9 8 8 ) , 1 8 0 0 . 7 j . wu , j . v a l l e y , e t a l ., a p p l . p h y s . l e ft . 5 8 , ( 1 9 9 1 ) , 2 2 5 . 8 m. s t s h e l i n , c . wa l s h , j . a p p l . p h y s . 7 3 , ( 1 9 9 3 ) , 8 4 7 1 . f 9 d . d a i , m. a . h u b b a r d , e t a l . , mo t . c r s t . l i q . c r i s t . 1 8 9 , ( 1 9 9 0 ) , 9 3 . 1 0 w. k o h l e r , d . r . r o b e l l o , e t a l ., j . p h y s . 9 3 , ( 1 9 9 0 ) , 9 1 5 7 m. e i 么 b . r e c k , e t a l . , j . a p p l . p h y s . 6 6 ( 7 ) , ( 1 9 8 9 ) , 3 2 4 1 . m. a . p a u l e y , h . w. g u a n , c . h . wa n g , j . c h e m . p h y s . 1 0 4 ( 1 7 ) , ( 1 9 9 6 ) , 6 8 3 4 . 1.jl.j .1，乙 月月且月.1 r.lf.l r . b lu m , m. s p r a v e , e t a l ., j . o p t . m. a h l h e i m, m. b a r z o u k a s , e t a l . , s o c . a m . b 1 5 , ( 1 9 9 8 ) , 3 1 8 . s c i e n c e 2 7 1 , ( 1 9 9 6 ) , 3 3 5 t . v e r b i e s t , d . m. b u r l a n d . e t a l . ,2 6 8 , ( 1 9 9 5 ) , 1 6 0 4 . a. k . yj e n , ym. c a i , a d v . ma t e r . 9 ( 2 ) , ( 1 9 9 7 ) , 1 3 2 . 1.j，.jl.jl.j ij4气16 .1.，卫. 一.lf.lr.胜r.l 第 1 0页 第一章绪论 wwa n g , d . c h e n , e t a l . , a p p l . p h y s . l e ft . 6 7 , ( 1 9 9 5 ) , 1 8 0 6 . d .s .c h e m l a , j .z y s s . n o n l i n e a r o p t i c a l p r o p e r t i e s o f o r g a n i c mo l e c u l e s a n d l7l8 c ry s t a l . a c a d e m i c p r e s s , i n c . ( 1 9 8 7 ) . m. a .mo r t a z a v i , a . k n o e s e n , e t a l . , j . o p t . s o c . a m . b 6 , ( 1 9 8 9 ) , 7 3 3 . k .d . s i n g e r , a .f . g a r i t o , j . c h e m . 7 5 , ( 1 9 8 1 ) , 3 5 7 2 . ，.jl.j 八，nu .1，乙 护.lr.几l 2 1 g .r .mi t c h e l l , n .r .k i n g , p o ly m .( 1 9 9 8 ) , 3 1 0 . 2 2 a . s u z u k i , y ma t s u o k a , a .i k u s h i m a , j p n . j . a p p l . p h y s . 3 0 , ( 1 9 9 6 ) , l 1 4 9 3 2 3 h .l i n g , wh o l l a n d , h .g o r d o n , j . a p p l . p h y s . 7 0 , ( 1 9 9 1 ) , 6 6 6 9 . 2 4 o .s u g i h a r a , t .k i n o s h i t a , e t a l . a p p l i e d o p t i c s , 3 0 ( 2 1 ) , ( 1 9 9 1 ) , 2 9 5 7 . 2 5 k o e n c l a y s , j a y s . s c h i l d d r a u t , a n d e t a l . j . o p t . s o c .a m . b . 1 1 ( 4 ) , ( 1 9 9 4 ) , 6 5 5 . 2 6 m.j a g e r a n d g . i . s t e g e m a n , a p p l .p h y s .l e tt . 6 9 ( 2 7 ) , ( 1 9 9 6 ) , 4 1 3 9 . 2 7 w wi r g e s , s .y i l m a z , w . b r i n k e r , e t a l ., a p p l .p h y s .l e tt . 7 0 ( 2 5 ) , ( 1 9 9 7 ) , 3 3 4 7 . 2 8 m j a g e r a n d g .i . s t e g e m a n , j .o p t . s o c .a m .b . 1 5 ( 2 ) , ( 1 9 9 8 ) , 7 8 1 . 2 9 r .c .mi l l e r , p h y s . r e v . 1 3 4 , ( 1 9 6 4 ) , a 1 3 1 3 . 3 0 j .m u z a rt , f . b e l l o n , c .a .a r g u e l l o , a n d r .c . c . l e i t e , o p t . c o m m u n .6 , ( 1 9 7 2 ) , 3 2 9 . 3 1 c .f .d e w e y , j r . a n d l .o .h o c k e r , a p p l .p h y s .l e tt . 2 6 , ( 1 9 7 5 ) , 4 4 2 . 3 2 l . o .h o c k e r a n d c .f .d e w e y , j r ., a p p l . p h y s . l e tt . 2 8 , ( 1 9 7 6 ) , 2 6 7 . 3 3 b .f .l e v i n e , c .g .b e t h e a a n d r .a .l o g a n , a p p l .p h y s . 2 6 , ( 1 9 9 5 ) , 3 7 5 . 3 4 m.s .p i lt e h , c .d .c a n t r e l l , a n d r .c .s z e , j .a p p l . p h y s . 4 7 , ( 1 9 7 6 ) , 3 5 1 4 . 3 5 a .s z i l a g y i , a .h o r d v 飒a n d h . s c h l o s s b e r g , j .a p p l .p h y s .4 7 , ( 1 9 7 6 ) , 2 0 2 5 . 3 6 d .e . t h o m p s o n , j .d .mc mu l le n , a n d e t a l . , a p p l .p h y s . l e tt . 2 9 , ( 1 9 7 6 ) , 1 1 3 . 3 7 m. o k a d a , k .t a k i z a w a , a n d s .i e i r i , o p t . c o m m u n . 1 8 , ( 1 9 7 6 ) , 3 3 1 . 第 1 1页 第一章绪论 3 8 y h .x u e , n .b .mi n g , j . s .z h u , a n d d .f e n g , c h i n e s e p h y s . 4 , ( 1 9 8 4 ) , 5 5 4 . 3 9 a .f e i s s t a d p .k o i d l , a p p l .p h y s .l e tt . 4 7 , ( 1 9 8 5 ) , 1 1 2 5 . 4 0 ws . wa n d , q . z h o u , z . h . g e n g , a n d d . f e n g , j . c rys t . g r o w t h , 5 6 , ( 1 9 9 0 ) , 1 0 8 4 1 n . b .mi n g , j .f . h o n g , a n d d .f e n g , j .ma t e r . s c i . 1 7 , ( 1 9 8 2 ) , 1 6 6 3 . 4 2 m.h o u e , d .t o w n s e n d , j . p h y s .d :a p p l . p h y s . 2 8 , ( 1 9 9 5 ) , 1 7 4 7 . 4 3 g .l .j .a .r i k k e n , c .j .e . s e p p e n , e t a l , a p p l . p h y s . l e tt . 5 8 ( 5 ) , ( 1 9 9 1 ) . 4 4 m.j a g e r , g .i .s t e g e m a n a n d w.b r in k e r . a p p l . p h y s . l e tt . 6 8 ( 9 ) , ( 1 9 9 6 ) . 4 5 g .k h a n a r i a n , r .a ,n o r w o o d , d .h a a s , e t a l , a p p l . p h y s . l e tt . 5 7 ( 1 0 ) , ( 1 9 9 0 ) . 4 6 y s h u t o , t w a t a n a b e , s .t o m a r u , e t a l . , i e e e j . o f q e ., 3 3 ( 3 ) , ( 1 9 9 7 ) . 4 7 s .t o n i a r u , t w a t a n a b e , e t a l . a p p l . p h y s . l e tt . 6 8 ( 1 3 ) , ( 1 9 9 6 ) . 4 8 h .n a k a y a m a , o .s u g i h a r a , e t a l , o p t i c s l e tt e r s , 2 2 ( 2 0 ) , ( 1 9 9 7 ) . 4 9 h .n a k a y a m a , h .f u j i m u r a , e t a l . a p p l i e d o p t i c s , 3 7 ( 7 ) , ( 1 9 9 8 ) . 5 0 h .n k a y a m a , o . s u g i h a r a , e t a l , a p p l . p h y s . l e tt . 7 1 ( 1 4 ) , ( 1 9 9 7 ) . 5 1 j . h .j u n g , t k a t o , a n d t .k i n o s h i t a , j .a p p l i e d p h y s i c s , 9 0 ( 2 ) , ( 2 0 0 1 ) 第 1 2页 第二章 第二章 基本原理 本章主要是讨论课题研究中 所涉及的主要理论依据和基本原理，内 容 包 括平面光波导、 极化聚合膜的 二阶非线性光学、 k - k关系、 c e r e n k o v位 相匹配和准位相匹配的基本知识。 2 . 1平面光波导17 光波导是在集成光路中用以限 制和传导光的 元件。 一种为大家熟知的光 波导就是通常具有圆形截面的光导纤维。然而，集成光学所注意的波导往 往是平面薄膜所构成的平面光波导。 平面光波导可由三层材料组成，中间一层是折射率为 n ， 的波导薄膜， 它沉积在折射率为1 1 2 的衬底上; 薄膜上面是折射率为n 3 的覆盖层 ( 或称为 包层) ， 光波导要求n ， 必须大于n 2 和n 3 , 由薄膜一 衬底界面处场分布函数连续及其导数连续的条件，可以得到常 用的平面波导的t e和t m模的 模式方程: t e模式 h - k o 寸 n 矛 一 n 2 = m 二 + t a n - ,n 2 一 n 璧 n 一 n 2 + t a n - n 2 一 n 璧 n 卜n 2 ( 2 . 1 ) t m模式 h - k o 了 n l 一 n 2 = m . - , i ( n ie十t a r t i i i l l n 2 j n ， 一 n 22 n 一 n 2 i - , f ( n ? ) i 十 t a n - i 份 i l n 3 ) n 2 一 n , n 子 一 n 2 ( 2 .2 ) 其中h 为 波导厚度，k 。 为真空波数， m为阶数 第 1 3页 第二章 基木原理 、 ， _p_ _ :_ n 上 丫 = = 1 1 1舀i n u k ,( 2 . 3 ) p 为传播常数，e 为光在波导中的全内反角。 n又称为有效折射率， 这是一 个非常重要的参数，它的取值范围为n 2 n n , 。不难看出， 描述 t m 导 模的方程比 相应的t e导模的方程要复杂的多。 产生这种复杂性的原因完全 是由边界条件的复杂性引起的. 2 . 2有机极化聚合膜的二阶非线性光学 2 ,3 . 4 . 5 1 二 阶 ， 卜 线 性 极 化 率 为 一 张 量 ， x 2， 一 : (2)ik 。 弓 入 d ii， 一 1 x r ， 考 虑 到 2 ， “ k l e in m a n 对称性，并采用以 下简化记号: j k : 1 1 2 2 3 3 2 3 , 3 2 3 1 , 1 3 1 2 ,2 1 l : 1 2 3 4 5 6 根据材料具体对称性的不同，极化率张量矩阵可以进一步简化。例如，我 们在实 验中 用的经电 场极 化后的 有 机聚合 物波导具 有c 。 对称性