非线性激光频率转换及其光速调控

摘要

本文主要分为两个部分，第一部分着重于研究各种非线性介质结构及相位匹配机制对光的二阶非线性频率变换过程的调控。
　　在光学超晶格中，我们分析了多重准相位匹配下的光学二倍频和偏振耦合的竞争过程，利用电光偏振耦合对级联的非线性频率变换过程进行调控。这里我们总结介绍了铁电晶体中常用的室温电场极化法过程，并阐述了极化晶体中电光效应引发的Solc滤波器的原理。接下来我们对非周期极化铌酸锂晶体中准相位匹配下的二倍频和电光偏振耦合效应的级联过程进行了理论推导和数值模拟，分析了频率转化和偏振耦合之间的竞争。可以通过外加电场影响二倍频和电光偏振效应的能量耦合过程，起到调控光输出的效果。同时提出并改进了一种非周期光学超晶格结构的设计算法——自调整算法。
　　在均匀非线性体介质中，研究探讨了非线性频率转换过程在时间反演下的对称性，通过巧妙的调控机制在实验上首次实现了时间反转的非线性耦合过程。这里我们回顾了线性光学中激光辐射和反制激光器的原理，以及反演对称性在非线性耦合过程中的理论推广。我们首先在实验上实现了非线性耦合过程的时间反演，以最经典的非线性耦合过程——二倍频和参量放大过程——演示了它们在时间反演对称下对入射光的相干吸收，从而实现了非线性频率变换过程在时间正负轴演化方向上的调控。在反转对称下，前者可以实现在基频光泵浦时对二倍频光的完全相干吸收，后者的时间反演则对应了在泵浦光作用下对入射光的相干衰减，从而将相干吸收的概念推广到了非线性领域。
　　在铁电晶体畴壁这一特殊的界面结构上，由于增强的非线性响应被局域在畴壁上，使得光二阶非线性频率转换过程得到了特殊的调制，倍频光以非线性切伦科夫辐射的形式出现。我们研究探索了畴壁对非线性切伦科夫倍频过程的调控，这是由基频光激发的非线性极化波在畴壁上的定域性决定的，对非线性切伦科夫辐射的调控可以通过畴壁上的非线性极化波的调制来实现。另外，切伦科夫辐射自动相位匹配的特点可以实现全带宽的倍频，而不受传统双折射和准相位匹配中匹配带宽的限制，由此我们以该机制构建了一个基于畴壁切伦科夫倍频机制的超短脉冲测量装置（频率分辨光学开关法），根据实验上测量得到FROG迹图并利用反演算法对待测超短脉冲的振幅和相位进行了解析。
　　在第二部分里，我们主要探讨了对光速的调控，总结和介绍了光速调控的基本原理。同时引出利用超高阶导模实现光速调控的新机制，在双面金属包覆波导中可以在宽光谱范围内实现有效的慢光。我们推导了超高阶导模的群速度关系式，指出其慢光机制与有效折射率正相关。对光速的调控可以通过控制导模的有效折射率来实现，这与以往基于材料或结构强色散的慢光机制不同。金属包覆波导可以在可见和近红外全波段内支持超高阶导模，这就使得其慢光机制与光波频率几乎不相关，可以在很宽的频谱内实现有效的模式慢光。利用双面金属波导中超高阶导模有效折射率可以趋于零（群速度小）的特点，我们将10THz频谱宽的亚皮秒脉冲延迟了大于1400个脉冲的延迟量，相应的延迟带宽积(DBP)大于104。