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全固态波导激光材料的研究进展-引言
热度 1 lijiang1977 2016-7-7 09:50
随着现代光通信技术的快速发展,以光波导为基础的集成光学器件受到了越来越广泛的关注。关于波导激光器的构想,在世界上第一台固体激光器诞生之后不久就出现了。 1961 年, Snitzer 首次将光波导应用于激光增益介质中,成功制备了 Nd 3+ 掺杂的波导结构激光玻璃。此后,随着现代光通信技术的快速发展,以光波导为基础的集成光学器件受到了越来越广泛的关注。 固体、液体、气体等工作物质都可以做成波导激光器,其中较为成熟的是 CO 2 波导激光器。波导管只允许低阶模通过,输激光的光束质量好,同时它已实现了数千瓦级的激光输出,在军事、工业、医疗等领域得到了广泛的应用。然而, CO 2 激光器无法达到很高的转换效率,大部分能量都以热能的形式放出,产生热效应, 影响激光输出功率,同时其体积大、结构复杂、维护困难 。 经过 50 多年的探索与研究,全固态激光器取得了突飞猛进的发展,其体积较 小、效率高、可靠性强、输出谱覆盖率宽,科研人员已在固态激光材料中实现波导结构,并取得了一定成果 。 Torchia 等 利用飞秒激光写入技术制备的 Nd:YAG 条形波导激光陶瓷实现了单模输出,输出功率为 80 mW ,斜率效率高达 60% 。人眼安全 Er:YAG/YAG 条形波导激光的激光输出功率为 9.1 W ,斜率效率高达 92.8% 。同时,利用薄膜沉积 、离子注入 、热键合 以及飞秒激光写入 等技术已在稀土离子掺杂的 YVO 4 、 Y 3 Al 5 O 3 以及 Gd 3 Ga 5 O 12 等多种激光基质中制备出了光波导,并实现了激光输出。固态波导激光器之所以受到如此广泛的关注,是因为它有着传统块体激光器所无法比拟的优势,其结构紧凑,能够与泵浦激光二极管 (LD) 很好地匹配,同时有效地限制光束发散,提高增益介质中的光密度,从而实现低阈值、高功率的激光输出 。此外,将波导层包裹在热导率高的基质材料中,可及时传导激光发射中产生的废热,保证光束质量,在医疗、军事、工业等领域非常具有发展前景。美国 Raytheon 公司已制备出了高增益,输出功率为 16 kW 的 Yb:YAG 平面波导激光器 ,并预测平板波导结构激光陶瓷有望在小型、高效、固体激光武器上得到应用。随着近年来波导激光器的发展,针对不同的应用需求,波导结构的设计更加多元化,对于不同的激光材料,波导结构的制备技术各有千秋。 注 :摘选自“ 李江 ,葛琳,周智为,潘裕柏,冯锡淇,郭景坤 . 全固态波导激光材料的研究进展(综述) . 硅酸盐学报 , 2015, 43(1): 48-59. ”。 参考文献 : TZER E. Optical maser action of Nd 3+ ina barium crow glass . Phys Rev Lett, 1961, 7: 444–446. 姚淑娜 . 波导 CO 2 激光技术的发展概况和前景 . 北京联合大学学报, 2008,22(3): 8-12. YAO Suna. J Beijing Union Univ(inChinese), 2008, 22(3): 8-12. BOULON G. Fifty years of advances insolid-state laser materials . Opt Mater, 2012, 34(3): 499-512. TORCHIAG A, RODENASA, BENAYAS A, et al.Highly efficient laser action in femtosecond-written Nd:yttrium aluminum garnetceramic waveguides Appl Phys Lett, 2008, 92: 111103(1-3). TER-GABRIELYAN N, FROMZEL V, MU X, et al.Resonantly pumped single-mode channel waveguide Er:YAG laser with nearlyquantum defect limited efficiency . Opt Lett, 2013, 38(14): 2431-2433. JELINEK M. Functional planar thin filmoptical waveguide lasers . Laser Phys. Lett., 2012, 9(2): 91–99. MACKENZIE J I. Dielectric Solid-State PlanarWaveguide Lasers: A Review . IEEE J Sel Top Quantum Electron,2007, 13(3): 626-637. 胡智勇,孙伟成,王肇颖,等 . 热键合双包层平板波导激光器的研究进展 . 激光与光电子学进展, 2004,41(2): 21-23. HU Zhiyong, SUN Weicheng, WANG Zhaoying, et al. Laser Optoelectron Prog (inChinese), 2004, 41(2): 21-23. 董明明,林耿,赵全忠 . 飞秒激光在透明介质中制备波导器件进展 . 激光与光电子学进展 , 2013,50(1): 010002(1-20). DONG Mingming, LIN Geng, ZHAO Quanzhong. Laser Optoelectron Prog (in Chinese), 2013, 50: 010002(1-20). TANY, CHENF, VZQUEZ JR, et al. Continuouswave laser generation at 1064 nm in femtosecond laser inscribed Nd:YVO 4 channel waveguides . Appl Phys Lett, 2010, 97(3): 031119(1-3). 曾乐勇 . 边泵浦 Yb:YAG 平面波导激光器的进展 . 光机电信息 ,2009(3): 25-30. ZENG Leyong. Ome Inf (in Chinese), 22009(3): 25-30. GRIVAS C, MAY-SMITHT C, SHEPHERD D P, et al.Laser operation of a low loss (0.1 dB/cm) Nd:Gd 3 Ga 5 O 12 thick (40μm) plan ar waveguide grown by pulsed laser deposition . Opt Commun,2004, 229: 355-361. KONYUSHKIN V A, NAKLADOV A N,KONYUSHKIN D V, et al. Ceramic planar waveguide structures for amplifiers and lasers . QuantumElectron, 2013, 43(1): 60-62.
个人分类: 透明陶瓷|4372 次阅读|4 个评论
关于微流体波导及其应用的综述
liyq 2013-6-14 08:58
微纳流体光波导技术及其在生物传感器中的应用.pdf 最近写的一篇关于微流体波导及其应用的综述文章,希望给大家有参考价值。 原件是彩色的,需要的话,发邮件给我。
个人分类: 光学前沿|3808 次阅读|0 个评论
讨论班(周五):波导管概述(张驰)
GrandFT 2013-5-29 22:16
题目:波导管概述 主讲:张驰 时间:2013年5月31日星期五下午4:30-6:10 地点:16教学楼308室 提纲: 1. 波导问题 2. 群速度与相速度的再讨论 3. 正交模简介 4. 谐振腔与舒曼共振(选讲) 参考书目:J.D. Jackson 《经典电动力学》高等教育出版社 2004
个人分类: 周四讨论班|2558 次阅读|0 个评论
基于集成波导的任意阶光子微分器
热度 1 jianjidong 2013-3-9 16:01
基于集成波导的任意阶光子微分器
J. Dong , A. Zheng, D. Gao, L. Lei, D. Huang, and X. Zhang, "Compact, flexible and versatile photonic differentiator using silicon Mach-Zehnder interferometers," Opt. Express, 2013. Abstract: We propose and experimentally demonstrate the flexibility and versatility of photonic differentiators using a silicon-based Mach-Zehnder Interferometer (MZI) structure. Two differentiation schemes are investigated. In the first scheme, we demonstrate high-order photonic field differentiators using on-chip cascaded MZIs, including first-, second-, and third-order differentiators. For single Gaussian optical pulse injection, the average deviations of all differentiators are less than 6.5%. In the second scheme, we demonstrate multifunctional differentiators, including intensity differentiator and field differentiator, using an on-chip single MZI structure. These different differentiator forms rely on the relative shift between the probe wavelength and the MZI resonant notch. Our schemes show the advantages of compact footprint, flexible functions and versatile differentiation forms. For example, high order field differentiators can be used to generate complex temporal waveforms, such as high order Hermite-Gaussian waveform s. And intensity differentiators are useful for ultra-wideband pulse generation.
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推荐书《光波导理论》
tianzhilu 2012-6-14 16:14
http://bbs.sciencenet.cn/forum.php?mod=viewthreadtid=524647extra=page%3D1 请见这个网页,虽然有13个附件,不过下载是值得的。 里面有我找了好久的关于光纤瞬态问题的解决,哈哈。乐一乐。
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电离层电波传播中地-电离层波导电波传播小结
williammilo 2010-2-16 10:25
我的博客已经搬家到 xiongbox.com 欢迎访问熊伟博士的网站! 本文永久链接 http://xiongbox.com/电离层电波传播中地-电离层波导电波传播/ 1.地-电离层波导电波传播地表层与低电离层(白天为D层,夜间为E层下部)所构成的同心球壳空间,以类似于微波平行金属板波导的机理,引导甚低频(3~30千赫)和极低频(0.3~3千赫电波进行远距离直至全球范围的传播。这种波导的特点是:① 结构复杂,特别是作为上壁的低电离层中电离气体的密度随高度而变化,不存在明确的边界面 。同时,由于 昼夜过渡效应和纬度效应 ,其高度具有明显的甚至急剧的空间变化;在地磁场影响下,其电特性呈现各向异性。作为下壁的地表层具有几何上和地质上的明显变化(海、陆、山地、平原和沙漠等);② 变化复杂,由于受太阳辐射和宇宙射线等电离因素 ,以及有关日-地空间物理效应变化的影响,低电离层的电子密度随昼夜和季节而变化,并以11年为周期而变化,还有随机性变化等。 2.严格求解各向异性非均匀有损球壳波导问题是很困难的,需要采用一些简化模型。在模理论中,将 地表层与低电离层等效为具有特定表面阻抗的两个反射壁 ,利用麦克斯韦方程和边界条件,求得波导中的场为一系列传播模之和。每个波导模都有特定的场结构,横向为驻波,轴向为具有特定相速和衰减率的行波。 3.单模传播时 相位随距离的变化接近于线性 ,同时 时间上的稳定性高 , 因此是导航定位应用的基础。 传播相速预测精度 直接关系到导航定位的精度。基模相速与波导两壁电参数有关,因而具有时空上的变化。由于不可能确切掌握实际路径上的参数,理论计算结果仅有参考价值。工程上通常是合理地假定一个平均相速预测模型,通过某些简单函数来研究一些有规律的 时空变化 , 统计大量相位测试数据而确定模型中的待定系数 。
个人分类: 电子信息工程与计算机科学|2701 次阅读|0 个评论
对流层电波传播中波导电波传播的简单小结
williammilo 2010-2-14 00:56
我的博客已经搬家到 xiongbox.com 欢迎访问熊伟博士的网站! 本文永久链接 http://xiongbox.com/对流层电波传播中波导电波传播/ 1.在某些气象条件下, 对流层中可以形成具有一定强度和厚度的准水平大尺度层结 。频率足够高的无线电波,在适当的发射方向上,可在相当大的程度上进入其内,如同在波导管中一样,以异常低的衰减进行传播。这就是对流层波导传播。对流层波导出现的概率很小,不太可能应用于可靠的通信系统, 但可用于电子侦察和干扰系统 。 2.对流层波导的 折射模数随高度的变化及电波在波导中的传播在波导传播情况下,能量主要沿水平方向扩散,在垂直方向上则有所限制 。因此,传输损耗与距离成正比,而并非与距离平方成正比,波导内的信号强度可能比相同距离的自由空间内的信号强度大。实际上,对流层波导是有泄漏的,当波源在波导内时,在波导外接收信号也是可能的;在视距以外,这种泄漏信号有可能比无波导时更强。根据互易定理,波导信号当然也可以外馈。理论表明, 对流层波导的泄漏,不仅产生于波导和地面的不规则性,而且也可以产生于均匀波导 。 3.形成波导的气象条件是 逆温层和湿度的随高度剧减 。建立这个条件的大气过程主要是: ①蒸发过程 (由于海面和水面的水汽蒸发而在贴近水面处形成高湿度层); ②辐射冷却过程 (晴空夜晚,由于地面冷却而形成逆温层); ③平流过程 (陆地上的干暖空气吹向湿冷的海面); ④气流下沉过程 (在高压区,下沉气流绝热压缩而增温,并辐射于湿冷的下垫气层上)。结合这一过程,考虑天气形势以及各部位的风向、下垫面的特点,并进行一定的特征量的测量,即可对波导进行预报。 总的说来,高压形势有利于波导 。
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波导中光波导的简单小结
williammilo 2010-2-7 09:51
我的博客已经搬家到 xiongbox.com 欢迎访问熊伟博士的网站! 本文永久链接 http://xiongbox.com/波导中光波导/ 1.光波导由 光透明介质(如石英玻璃) 构成的 传输光频电磁波的导行结构 。光波导的传输原理不同于金属封闭波导,在不同折射率的介质分界面上,电磁波的全反射现象使光波局限在 波导及其周围有限区域内 传播。 2.多模和单模光纤已成功地应用于通信。光纤的传输特性对 外界的温度和压力等因素敏感 ,因而可制成 光纤传感器,用于测量温度、压力、声场等物理量 。实用光波导有 光导纤维、薄膜波导、带状波导 等三类。 3. 薄膜波导与带状波导主要用于制作有源和无源的光波导元件 , 如激光器、调制器和光耦合器 等。它们采用 半导体薄膜工艺,适合于制成平面结构的集成光路 (即光集成部件)。 4.光纤的 传输衰减很小,频带很宽 。如此优良的性能是其他传输线难以达到的,因而光纤可用于 大容量信号的远距离传输 。薄膜波导和带状波导传输特性及其分析与光纤类似。由于它们主要用来 构成元件 ,对 传输衰减与频带要求并不严格 。严格求解光波导中的电磁场的矢量解较为困难,故通常用 标量近似法、射线法等近似解法分析其传输特性,包括各个模式的场分布、色散以及模式之间的耦合等 。
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波导中波束波导小结
williammilo 2010-2-7 09:10
我的博客已经搬家到 xiongbox.com 欢迎访问熊伟博士的网站! 本文永久链接 http://xiongbox.com/波导中波束波导/ 1.波束波导是由 周期性排列的透镜或反射镜组成 的波导结构。由于透镜或反射镜的 聚束作用 ,被导引的电磁波集中在横截面较小的区域内以 波束形式 传播。波束的电磁场分布沿传播方向呈周期性变化, 沿径向坐标按高斯函数变化 (为常数),故又称为 高斯型 波束。 2.不同类型的波束波导有不同的传输损耗和不同的频率适用范围。 介质透镜型适用于光波 , 双反射镜型适用于微波,单反射镜型适用于毫米波和亚毫米波 。高斯波束可用 波纹圆锥叭作激发器 。
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导行电磁波中波导的简单小结
williammilo 2010-2-7 09:00
我的博客已经搬家到 xiongbox.com 欢迎访问熊伟博士的网站! 本文永久链接 http://xiongbox.com/导行电磁波中波导/ 1.波导是用来约束或引导电磁波的结构。习惯上,波导狭义地专指各种形式的 空心金属波导管和表面波波导 ,前者将被引导的电磁波完全限制在金属管内,又称 封闭波导 ;后者将引导的电磁波约束在波导结构的周围,又称 开波导 。 2.当无线电波频率提高到3000兆赫至300吉赫的 厘米波波段和毫米波波段 时,由于要求同轴线工作于最低模(TEM模),但其横向尺寸较小,使功率容量降低,导体损耗和内外导体间的 绝缘介质损耗随频率的提高而增加 ,致使同轴线的使用受到了限制,而采用金属波导管或其他导波装置。波导管的优点是: 导体损耗和介质(管内介质一般为空气)损耗小;功率容量大;没有辐射损耗;结构简单、易于制造 等。 3.波导管内的电磁场可由麦克斯韦方程组结合 波导的边界条件 求解。波导管壁的导电率很高(一般用铜、铝等金属制成,有时其上镀有金或银),通常可假定波导壁是理想导体,在管壁处的边界条件是电场的切线分量和磁场的法线分量为零。 4.与普通传输线不同,波导管里不能传输TEM模,电磁波在传播中存在 严重的色散 现象。色散现象说明电磁波的传播速度与频率有关。横截面均匀的空心波导称为均匀波导。均匀波导中电磁波传播的模式可分成电波和磁波两大类,前者简称为TM模,其磁场只有横向分量;后者简称为TE模,其电场只有横向分量。 波导管的横截面可以做成各种不同的形状,如矩形、圆形、脊形、椭圆形和三角形等,前两种形状应用最广 。 5.表面波波导又称为开波导,它的特征是在边界外有电磁场存在。开波导传播的模式称为表面波。表面波的特点是 电磁场沿两个媒质分界面法线方向按指数律衰减 。一般说来,它是一种 慢波 ,即它沿波导结构传播的速度小于光速。 6.在 毫米波和亚毫米波 波段,因金属波导管的尺寸太小而使 损耗加大和制造困难 。这时,使用表面波波导除了具有良好的传输特性外,主要优点是 结构简单、制造容易 ,可以具有 集成电路需要的平面结构 。因此,表面波波导在毫米波和亚毫米波波段的应用有所发展。表面波波导的主要形式有: ① 介质线;②介质镜像线;③波导;④镜像凹波导 等。
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