聲子極化激元與準位相匹配耦合物理特性的研究

《聲子極化激元與準位相匹配耦合物理特性的研究》是依託南京大學，由秦亦強擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：聲子極化激元與準位相匹配耦合物理特性的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：秦亦強
• 依託單位：南京大學

項目摘要

傳統準位相匹配理論和技術重點研究光波頻段不同頻率參量光波之間相互作用過程中的位相補償，以實現高效的非線性光學頻率轉換。隨著對固體元激發研究的深入以及太赫茲科學與技術的發展，聲子極化激元參與非線性光學過程物理特性的研究開始受到重視，目前聲子極化激元與微結構超晶格材料非線性頻率轉換中耦合物理特性的研究一直是空白。本項目擬在傳統準位相匹配理論的基礎上研究聲子極化激元與準位相匹配耦合過程的物理特性；重點研究微結構超晶格材料中聲子極化激元參與的多重準位相匹配過程與局域準位相匹配過程；研究這些耦合物理特性對非線性光學非彈性散射及光子學太赫茲波產生過程的影響。初步研究表明：介電體聲子極化激元與光學超晶格材料準位相匹配的耦合過程能產生新的物理效應，有望在多重準位相和局域準位相匹配過程中實現二階和三階非線性光學過程的增強。

結題摘要

本項目研究了微結構超晶格材料中聲子極化激元和多重準位相匹配過程和局域位相匹配的耦合過程及其對光子學太赫茲波產生過程的影響。 研究了電子極化和離子極化的非線性極化特性，得到了傳統非線性光學材料中電子極化和離子極化非線性率表達形式和新的非線性耦合方程。按照晶格振動與電磁波耦合的強弱，對耦合導致的光學非線性與傳統非線性光學係數比較，對電磁波範圍進行了區域劃分為傳統二階光學非線性區域、共存區和強耦合區。這三個區域內晶格振動導致的非線性對光學非線性系統中整體光學非線性的影響，提供了一種調控晶體非線性光學係數的方法。 聲子極化激元和準位相匹配耦合過程的理論體系通常採用二維疇結構，常規的耦合方程方法無法對此進行有效計算。目前，可用於二維複雜結構進行計算的數值方法主要有FDTD方法以及有限元方法。但是，這些方法通常只能對微米量級疇結構區域進行計算，而我們通常研究的光學超晶格的大小在厘米量級，用常規的FDTD等方法進行計算在運算量方面存在很大的困難。為此我們發展了一種有效的數值計算方法。該方法也是一種差分(FD)算法，此方法只需要在空間上進行差分離散化，而並不需要對時間軸進行離散化。此外，此方法的空間離散化步長可以很大，甚至可以遠大于波長，這種算法的運算速度與常規FDTD方法相比有運算速度的明顯優勢。 研究了偏振耦合的非線性光學效應和過程。結合傳統的非偏振耦合三倍頻與偏振耦合三倍頻，提出了多重準位相匹配三倍頻的系統理論。以倍頻加和頻的三倍頻產生過程為研究對象，提出一共存在24種耦合模式，並根據對基波偏振利用方式的不同，將這24種耦合模式分為三大類。每一類都包含有8種不同的模式，由一組統一的耦合波方程描述，並具有統一的耦合性質。傳統的非偏振耦合三倍頻模式與偏振耦合三倍頻特殊模式均可以歸入到相應的類別。 利用腔相位匹配技術開展了頻率梳理論和實驗的研究，實驗上驗證了非線性參量過程和晶格振動耦合產生太赫茲的增強。實驗採用MgO: LiNbO3薄片晶體，形成532nm泵浦的片狀光參量振盪器（SOPO）。在晶體溫度為110C條件下，得到泵浦光單次通過微腔和將泵浦光反射即雙通過程的光譜。雙通過程增加梳狀光譜的頻寬，縱模間隔保持0.49999nm不變，縱模間隔換算到頻域為0.132THz。進一步提高SOPO的Q值，提高腔內功率密度，增強差頻過程，可以增強太赫茲輻射。SOPO有望成為集成化太赫茲源。