基于周期性畴反转铁电晶体的慢光研究及应用探索

论文摘要

慢光,即减慢光的传播速度,使其以远低于真空中光速的群速度传输。因其在全光信号处理、信息存储、非线性效应增强、探测灵敏度增强、量子信息操作、相控阵雷达波束控制等方面的应用前景而受到越来越多的关注。出于实用的目的,对于室温固体中的慢光的研究更是其中的重点。本文基于周期性畴反转铁电晶体特有的光学特性,通过不同的结构设计,对几种光波耦合过程中产生的慢光现象进行了理论和实验两方面的研究。主要内容有:周期性畴反转铁电晶体的光学特性,尤其是其二阶非线性光学效应是本课题的理论基础。本文介绍了典型的周期性畴反转铁电晶体――周期性极化铌酸锂晶体及其波导结构。从基于该人工晶体实现的准位相匹配技术出发,推导了在该非线性晶体中的二阶非线性耦合波方程。阐述了铌酸锂晶体的线性电光效应,并详细讨论了不同外加电场配置下晶体的光学响应。观察到了二阶级联非线性过程中的群速度调制现象。推导出了描述该过程的耦合波方程。数值模拟结果显示,对于超短脉冲而言,在基频脉冲与倍频脉冲群速度失配条件下,基频脉冲会被倍频光所“拉拽”,从而影响其群速度。通过分析群速度失配量、位相失配量、入射脉宽、入射光强度等参数对群速度的影响,我们提出了通过引入外加光场或电场的方式改变晶体内原有的光波能量耦合过程,得到了远超入射脉宽的延迟量及超宽的可延迟波长带宽,从而实现可控的超短脉冲孤子态的快慢光传输。介绍了光子晶体对于光子的操控作用,以及电磁波在周期性层状介质中的耦合模理论。在此基础上,利用周期性畴反转晶体铁电畴电光系数的周期性反转特性及其线性电光效应,提出了一种电光光子晶体的设计方案。根据理论分析及实验结果,证实了可以通过改变施加在该晶体上的横向电压,有效地控制不同波长入射光的群速度。介绍了慢光在各个领域尤其是在提高非线性相互作用方面的应用。提出了利用上述电光光子晶体慢光方案使入射光在空间上压缩,增大其能量密度,从而实现非线性频率转换效率的增强与实时控制的实验方案,并对其进行了理论分析和实验研究。同时,提出了基于钛扩散波导结构以及其他人工光子晶体结构的慢光实验提案,并作了简单的展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 表格索引
• 插图索引
• 第一章 绪论
• 1.1 慢光
• 1.1.1 慢光基础
• 1.1.2 实现慢光的典型手段
• 1.1.3 慢光研究进展
• 1.1.4 慢光发展趋势分类
• 1.2 周期性畴反转铁电晶体
• 1.2.1 准位相匹配技术
• 1.2.2 铁电晶体简介
• 1.3 论文的研究内容及创新点
• 第二章 周期性畴反转铁电晶体的光学特性
• 2.1 典型的铁电晶体材料
• 2.1.1 铌酸锂晶体的结构
• 2.1.2 铌酸锂晶体的周期性畴反转
• 2.1.3 掺镁铌酸锂晶体
• 2.1.4 钛扩散波导结构
• 2.2 二阶非线性光学效应
• 2.2.1 二阶非线性耦合波方程
• 2.2.2 准位相匹配和频
• 2.2.3 准位相匹配倍频与差频
• 2.2.4 二阶级联非线性频率转换
• 2.2.5 线性电光效应
• 2.3 本章小结
• 第三章 二阶级联非线性过程中的超短脉冲快慢光控制
• 3.1 二阶级联非线性过程的基本方程
• 3.2 对影响二阶级联非线性过程中超短脉冲群速度因素的探索
• 3.2.1 二阶级联倍频过程中的飞秒脉冲延迟现象
• 3.2.2 各种基础参量的影响
• 3.2.3 评价因子的提出及最优化参数探索
• 3.3 全光可控的飞秒脉冲群速度
• 3.3.1 扩展的二阶级联非线性过程耦合波方程
• 3.3.2 光强可控的飞秒脉冲群速度
• 3.3.3 延迟带宽的影响
• 3.4 电光效应辅助的飞秒脉冲群速度简单控制
• 3.4.1 电场影响下的耦合波方程微扰
• 3.4.2 电压可控慢光孤子
• 3.4.3 占空比的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 一维电光光子晶体中的快慢光控制
• 4.1 光子晶体简介
• 4.2 电磁波在周期性层状介质中的耦合模理论
• 4.2.1 同向耦合
• 4.2.2 逆向耦合
• 4.3 带波导结构的一维电光光子晶体
• 4.3.1 一维电光光子晶体结构及其特性
• 4.3.2 电压对群折射率的有效控制
• 4.3.3 电压控制下的快慢光连续变换
• 4.4 一维电光光子晶体的慢光实验验证
• 4.4.1 基于同向耦合过程的实验装置
• 4.4.2 对不同入射波长光的群速度调制
• 4.4.3 不同外加电场下的群速度调制
• 4.5 本章小结
• 第五章 慢光现象的应用探索
• 5.1 慢光应用的研究现状
• 5.2 慢光辅助下的频率转换效率增强
• 5.2.1 倍频带宽与慢光带宽交叠的理论预测
• 5.2.2 慢光增强倍频效率的实验验证
• 5.3 其他实验提案
• 5.3.1 钛扩散谐振环波导结构
• 5.3.2 磁流体成链磁光光子晶体
• 5.3.3 二氧化钛纳米管薄膜光子晶体
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要工作
• 6.2 今后工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位论文期间发表的学术论文目录