研究生部知识库

  微腔光频梳光谱范围宽，并且具有小型化、集成化、低功耗等优势，是具有多用途的相干光源。中红外波段覆盖多种分子特征吸收频率及两个大气窗口，并且对应于窄带隙材料的跃迁频率，同时具有较低的瑞利散射损耗。因此中红外微腔光频梳在分子光谱学、光激发动力学、光学成像等诸多领域具有广阔的应用前景。本文基于多种材料平台，优化设计了微环谐振腔，研究了中红外微腔光频梳的产生以及多种效应对动力学过程和频梳特性的影响，主要内容如下：

  首先，基于非线性薛定谔方程推导了可描述微腔光频梳产生过程的Lugiato-Lefever理论模型，并采用拉格朗日变分法获得了微腔耗散孤子的解析表达式，通过分析其均匀稳态解研究了影响微腔光频梳稳定性的因素与物理机理，阐述了可实现稳态耗散孤子产生的频率失谐范围。

  其次，提出了一种基于铌酸锂—硅狭缝波导的微环谐振腔结构，并通过优化设计使其在宽带范围内具有平坦、近零负色散。在50 mW较低泵浦功率下，可产生光谱覆盖2810-4630 nm、带宽超过五分之四倍频程的中红外孤子光频梳。同时，分析了高阶色散和自陡峭效应对该光频梳时频域特性影响规律，结果表明在三阶色散引起的切伦科夫辐射与相位失配共同作用下，孤子漂移速率具有最大值，而四阶色散可以降低切伦科夫辐射强度和孤子漂移速率。在此基础之上，提出了一种通过自陡峭效应补偿三阶色散以抑制孤子漂移、提升其时域稳定性的方法。

  然后，基于双泵浦结构建立了可同时描述电光调制和二次谐波产生的理论模型。优化设计铌酸锂微环谐振腔，使其具有较强电光调谐能力。通过合理控制外加电压扫描微腔谐振波长，获得了中红外微腔孤子及锁模二次谐波，并通过改变两个泵浦的频率间隔实现对光频梳重复频率的调节，最高重复频率可以达2 THz。

  最后，推导了包含多光子吸收及自由载流子等效应的物理模型并对其数值解析，研究了中红外波段硅和锗微腔中孤子光频梳产生特性及动力学过程。结果表明，自由载流子吸收与线性传输损耗等效，而自由载流子色散与线性失谐相似；因此自由载流子色散引入的非线性失谐有助于建立腔内光场动态平衡，使得频梳从调制不稳定态转换为单孤子态。通过进一步研究泵浦功率和自由载流子寿命影响规律并对系统参数进行调控，在高非线性系数硅基和锗基微腔中均获得了稳定的孤子台阶，而且不同参数下建立腔内平衡所需的时间也不相同。