新型非线性光学材料研究 - 图文(7)

第四章 新型微结构非线性光学材料

23

第四章 新型微结构非线性光学材料

伴随微纳加工技术的成熟，人们成功地将非线性光学材料与微结构相结合，这不仅使得非线性光学材料的含义更为丰富，而且利用人工微结构的独特物理特性，可以实现宏观体块不具有的功能并有效增强非线性光学效应，如利用新型光学超晶格实现光学功能集成，利用光子晶体缺陷模的光子局域效应、表面等离激元亚波长结构对非线性光学效应进行放大等。

应说明的是，光学超晶格通常指对非线性系数进行调制的准相位匹配材料，光子晶体是对折射率进行调制的光子带隙材料。非线性光子晶体多指用非线性大的材料对光子晶体的缺陷进行充填，其对非线性的放大基于光子局域效应，放大原理与光学超晶格是不同的。许多文献中多有混用，此处为不致混淆特加以区分。

图4.0.1. 光子晶体与光学超晶格区别

§4.1 新型光学超晶格研究进展

4.1.1 光学超晶格概述

光学超晶格（optical super lattice）也成为准相位匹配材料。准位相匹配是指通过对晶体非线性极化率的周期性调制，来补偿非线性参量过程中因色散导致的基波和谐波的相位失配，从而获得非线性光学效应的有效增强。因其调制周期多在波长量级，远大于晶格常数，故称超晶格。

24

新型非线性光学材料研究

典型的应用最广的光学超晶格有周期极化的LiNbO3晶体（PPLN）、周期极化的KTP晶体（PPKTP）等，它们被广泛用于许多前沿领域，如用倾斜周期极化的LiNbO3晶体产生太赫兹波辐射、用PPKTP获得连续明亮正交振幅的压缩态光场等。如今，光学超晶格的结构经历了从一维到二维，从周期到准周期、再到非周期的多个阶段，通过对其结构设计的探索，人们已研制出许多具备新功能的光学超晶格：如可用于光学功能集成的非周期光学超晶格、可实现Cerenkov辐射的二维光学超晶格等。 4.1.2 多重准相位匹配与耦合参量过程

上世纪80年代，南京大学闵乃本等人将准周期引入光学超晶格，建立了多重准相位匹配理论。周期超晶格只有一组倒格矢，而准周期超晶格具有多组倒格矢，能够进行多个光参量过程。由于其倒格矢由两个整数和两个结构参数所决定，故准周期超晶格在结构设计上具有更多的自由度，且其进行的参量过程是耦合在一起的。最早出现的准周期光学超晶格是用电场极化制备的Fibonacci序列LiTaO3超晶格，其倒格矢可以表示为：

Gmn?2?(m?n?)(?lA?lB) （4-1-1） 其中?为黄金分割数(1?5)2，lA、lB为不同结构单元的厚度，m、n为整数。这样的一个准周期光学超晶格可以通过倍频与和频的级联过程直接实现高效的三倍频，其倍频、和频过程准相位匹配条件为：

K2W?2KW?G11?0 （4-1-2） K3W?K2W?KW?G0 （4-1-3） 23?由于两参量过程是耦合在一起的，两式是同时被满足的。

图4.1.1 准周期光学超晶格直接实现三倍频实验的原理图

第四章 新型微结构非线性光学材料

25

4.1.3 可实现三基色的全固态激光输出的新型超晶格[27]

激光二极管泵浦全固态激光器（DPSSL）是激光领域的研究热点，它具有光束质量好、线宽窄、发散小、体积小的特点，而半导体激光器输出波段主要在近红外区，限制了其应用，因此有必要通过非线性光学的频率转换方法拓展其波长范围。为获得用于激光电视的红绿蓝三基色光，传统的频率转换是采用三台近红外激光器和三块非线性光学晶体实现的；而采用一块准周期结构的光学超晶格，就可以同时实现三基色的输出。

2005年，南京大学在上述准周期光学超晶格的研究基础上，利用半导体激光泵浦的掺Nd3+激光晶体双波长激光器作为基波光源，照射一块级联结构的准周期光学超晶格，通过对其1342nm输出的倍频和三倍频分别得到红光（660nm）、蓝光（440nm），对1064nm输出光的倍频得到绿光（532nm），调节晶体温度以调节三色光的分配，制成了功率大于1W的全固态三基色准白光激光器。

图4.1.2 瓦级全固态三基色准白光激光器实体图[27]

基于这种新型准周期光学超晶格全固态三基色激光器在激光显示上有很大应用前

景；另外，利用这类光学超晶格丰富的参量过程能够产生多色的连续变量纠缠光场，这对于研究光场之间的量子关联特性、发展量子密集编码与量子通信也有很大价值。

4.1.4 可实现光学功能集成的非周期超晶格

2008年，南京大学的研究人员提出将惠更斯-菲涅尔原理应用于光学超晶格的设计，

26

新型非线性光学材料研究

可使一块光学超晶格材料完成倍频、偏转、聚焦集于一身的功能[28]。以倍频光波的聚焦为例，基频光在超晶格中传播时，将其波前上的每个点既看做基频光的次波源，也看作波频光的波源。用这个思路设计光学超晶格，可得到倍频、偏转、聚焦功能的集成，设计得到的结构也不再具有周期性，而是根据聚焦的不同，其畴结构也形态各异。

图4.1.3(a)光学超晶格结构示意图 图4.1.3(b)倍频双聚焦的实验照片[28]

图4.1.3（a）中三种畴的结构自上而下分别为聚焦一个聚焦点、两个聚焦点、十个聚焦点的光学超晶格结构图；随着基频光在超晶格内的传播，倍频渐渐增强的同时也在聚焦，在光学超晶格外, 倍频光最终聚焦为两个斑点，见图4.1.3（b）。用这种原理制备的一些新颖的光集成器件，仅利用非线性光学效应就可以实现多个功能的集成，而无需电光效应等其他手段的调制，可使器件更紧凑、可靠和小型化。 4.1.5 新型二维光学超晶格中的非线性Cerenkov辐射

Cerenkov辐射的概念源于高能粒子物理，是带电粒子在透明介质中以超光速运动时产生的一种电磁辐射，然而实现Cerenkov辐射要满足辐射源的速度大于产生的光的速度这一条件： 1997年，Vaya等人研究了一维光学超晶格中的Cerenkov倍频，提出QPM Cerenkov波导倍频的方案：在波导结构中，若基波的传播速度大于倍频波在衬底中的传播速度，就可以产生以一定角度辐射到衬底中的倍频波。最近人们通过理论和实验，都已证实光学超晶格中的微结构可以调控光在介质中激发的非线性极化波的相速度，从而产生多组、多色的非线性Cerenkov辐射。

第四章 新型微结构非线性光学材料

27

2006年至2008年，张勇等人将Vaya的一维理论推广到二维，由于二维光学超晶格中存在共线与非共线的倒格矢，Cerenkov倍频光会沿不同方向辐射出来。当入射的基频光为1064nm和1319nm两种波长时，除分别进行倍频之外，还会产生和频光输出，显示出更加丰富的非线性辐射现象[29]：

图4.1.4 Cerenkov倍频（左）、倍频与和频（右）的实验照片[29

非线性Cerenkov辐射是个全新的方向，涉及非线性光学、波导光学以及Cerenkov辐射三个领域，除可用于传统的光子探测外，可能成为提供连续光源与制备纠缠光源的新技术，值得大力探索。

§4.2 非线性光子晶体新进展

光子晶体（Photonic Crystal）亦称光子带隙材料，是介电常数经周期调制的一种微结构材料，其晶格尺寸与光波长相当。根据介电常数在一维、二维、三维方向上的周期分布，光子晶体可分为一维、二维和三维光子晶体，尽管它们实际上都是三维的。

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说教育文库新型非线性光学材料研究 - 图文(7)在线全文阅读。