非線性光子晶體中二次諧波產生增強效應的機理

項目摘要

利用光子晶體的特性提高二次諧波的轉換效率，通常採取將基頻光和倍頻光同時對準光子晶體帶邊頻率的某個共振態。但同時將基頻光和倍頻光對準帶邊頻率這個要求非常苛刻，給實際操作帶來很大困難，且不易實現多波長的頻率轉換。本申請創新性的提出通過獨立調控線性和非線性光學係數以提高二次諧波的輸出。具體方式是先將基頻光對準帶邊頻率的共振態，進一步利用模擬退火方法調整非線性光學係數，找到最大的二次諧波輸出。該方法可實現多波長的向前以及向後傳播的二次諧波的可調製輸出，且對比傳統方法更具有實際可操作性。考慮到傳統的準相位匹配條件只有在一些近似條件下才能適用，而在一維非線性光子晶體中，由於線性光學係數的周期調製，光波的傳播特性發生很大變化。因此，準相位匹配條件需重新修正。我們將主要研究該體系下的準相位匹配條件，以及影響二次諧波轉換效率提高的各種因素。這些結論將為提高諧波轉換效率提供理論指導。

結題摘要

該項目屬於套用基礎研究，主要研究了以下幾方面的內容: （1）未採用泵浦損耗近似下,準相位匹配條件的研究: 相比於小信號近似，超晶格厚度有微小的變化，二次諧波轉換效率卻有重大的調製。本文給出了單個疇對二次諧波轉換效率貢獻的經驗公式,以及定義了一個相對誤差函式來描述採用以及未採用近似情形下的轉換效率關係. （2）研究了基頻場的調製對二次諧波場的影響：在一維以及二維非線性光子晶體體系中，探討了非平面波近似,非緩變振幅近似對二次諧波以及準相位匹配條件的影響。發現未考慮這兩種近似下，二次諧波轉換效率呈現很大不同，且由於基頻場的調製，相位匹配,準相位匹配與傳統圖不完全一致。 (3) 多波長二次諧波產生的研究:通過獨立調整線性和非線性光學係數來提高二次諧波的輸出。通過調整線性光學係數，使得基波頻率處於光子晶體缺陷模的位置或者光子晶體的帶邊位置。再進一步調整非線性光學係數，找到最大的二次諧波輸出。通過調製非線性光學係數，可以對向前以及向後的二次諧波輸出實現自由調控。 (4) 利用共軛梯度算法，設計了無序的超晶格結構。傳統的模擬退火算法假設每塊疇的厚度一定，通過調製疇的極化方向來得到最大的轉化效率。這其實形成一些極化方向相反，每一層厚度為該定值整數倍的非周期超晶格結構。共軛梯度算法則認為相鄰疇的極化方向是相反的，而每塊疇的厚度作為變數，這樣，得到的疇構造將會更好的實現最完美的準相位匹配。該方法可以有效地用於超晶格結構的設計，且可得到更高的轉換效率，並易實現較寬頻寬的二次諧波產生。我們的研究結果可根據需求靈活地設計非線性材料的結構，為提高諧波轉換效率提供理論指導；多波長的二次諧波產生則可在一塊晶體中就能實現多個波長的頻率轉換，這在雷射顯彩技術上具有重要的套用價值，可以大大簡化光學系統的體積及操作難度，減小相應的光學損耗；傳統準相位匹配採用三種近似情形下得到的，當這些近似不成立的時候，準相位匹配條件有什麼變化？二次諧波轉換效率的規律是什麼？我們的研究工作回答了這些問題，這對非線性材料構造的設定提供理論指導。該項目實施過程中發表了七篇較高水平的學術論文，其中5篇SCI收錄，2篇EI收錄。還有兩篇文章已投稿.該項目的開展以及得到的一些結果,可有很多後續的工作值得進一步研究且對今後的實驗研究也具有很好的實際指導意義.

非線性光子晶體中二次諧波產生增強效應的機理

基本介紹

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