准相位匹配二阶非线性联合效应统一理论及应用

摘要

电光效应、倍频和参量下转换是我们熟悉的二阶非线性光学效应，它们单独的理论和实验研究都已经比较完善，但它们的联合耦合效应理论此前还没有人建立过，主要原因有以下三点： 1.原有的折射率椭球理论无法解决这样复杂的联合效应。 2.对单畴晶体，传统的临界相位匹配和温度相位匹配方法无法同时补偿两个或多个相位失配量。 3.虽然已有准相位方法，但人们习惯于将频率转换和电光效应视为相互独立的，而未将其看成是平等的二阶非线性光学效应，所以未能将准相位方法同时应用于这两类二阶非线性光学效应。 注意到过去理论的缺陷和应用极限，本文将线性电光效应，倍频效应和参量下转换效应看成是平等的二阶非线性光学效应，然后根据光学超晶格中二阶极化强度分布的特点，在线性电光效应耦合波理论和二阶非线性光学变频效应耦合波理论的基础上，发展了光学超晶格中线性电光效应—二阶非线性光学变频效应的统一耦合波理论。作为这一统一耦合波理论的新应用，本文又进一步提出新的高通量纠缠光子源和光学三极管工作原理。本论文主要工作包括如下几点： 1)对已有的线性电光效应理论(非耦合波理论)进行评述，指出其缺陷和应用极限，说明、介绍线性电光效应耦合波理论的优点和它的最新发展及应用。 2)提出二倍频、参量下转换和电光效应统一耦合波理论。光学变频过程(包括和频、差频和倍频等)和电光效应的研究成果已广泛应用于现代光通信及光器件开关领域，人们已经习惯于将它们孤立对待处理，理论上缺乏统一性。周期性极化和准周期性极化光学超晶格是近年非线性光学领域研究热点之一，但这种光学超晶格中的光学变频过程和电光效应过去也没有统一的理论。我们注意到光学和频，差频，倍频和电光效应在物理上具有统一性，都属于二阶非线性光学过程，于是将光学超晶格中的线性电光效应耦合波理论进一步推广，使之能够同时描写电光效应和其他二阶参量过程。由此推广理论，我们能有选择地用光学超晶格所提供的倒格矢补偿多个相位失配量。 3)给出了统一耦合波理论的两种新的重要应用。在量子信息领域，高通量纠缠光子源是很重要的前沿研究热点。根据统一耦合波理论，我们提出了基于混合结构(包括一部分周期极化和另一部分准周期极化)铌酸锂光学超晶格的全新高通量纠缠光子源。其工作原理过程是：在混合结构光学超晶格第一部分首先产生二倍频，在第二部分通过外加电场控制启动参量下转换过程，使得几乎所有的二倍频光子都重新转换为一系列基频光子对。根据统一耦合波理论，提出了新型光学三极管工作原理。整个光学三极管包括两部分：第一部分为周期极化铌酸锂，第二部分为准周期极化铌酸锂。在第一部分周期极化铌酸锂中基频e光转换为二倍频光；在第二部分准周期极化铌酸锂中通过o偏振基频控制光与其e偏振基频光之间的电光耦合诱导出倍频光的参量下转换过程，使倍频光耗竭转换为基频光输出，对应“开”的状态；相反如果没有控制光，则只有倍频光输出，对应于基频光“关”的状态。这种新型光学三极管具有亚皮秒的响应速度，同时放大率可以达到2×103，与电子三极管有很好的相似性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1光学频率转换和参量过程

1.2线性电光效应

1.3线性电光效应的几种理论简介

参考文献

第二章线性电光效应耦合波理论及其新应用

2.1线性电光效应耦合波理论的基本内容

2.2线性电光效应耦合波理论的应用

2.3线性电光效应耦合波理论在准相位匹配中的新应用

2.4小结

参考文献

第三章准相位匹配(QPM)概述

3.1介电体超晶格

3.2光学超晶格的提出及几种主要结构

3.3频率转换耦合波方程普遍形式

3.4小结

参考文献

第四章准相位匹配下二阶非线性效应统一理论

4.1引言

4.2二倍频、参量下转换和电光效应统一耦合波理论

4.3单块光学超晶格中电致参量下转换高通量光子对源

4.4小结

参考文献

第五章电控光学三极管

5.1引言

5.2光学三极管原理和结构设计

5.3光学三极管的模拟

5.4小结

参考文献

第六章论文工作总结与展望

攻读博士学位期间所发表的学术论文

致谢