含負(fù)折射通道波導(dǎo)陣列非線性光學(xué)特性的研究.pdf

1、超常材料是一種人工合成材料，擁有自然界傳統(tǒng)材料沒有的奇異電磁特性。如果超常材料同時具有負(fù)的介電常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率，則會顯示負(fù)折射特性，被稱為負(fù)折射超常材料。因?yàn)樨?fù)折射超常材料的波矢、電場和磁場之間符合左手螺旋關(guān)系，所以有些文獻(xiàn)中也將這種材料稱為“左手材料”(Left-hand materials)。這種亞波長尺寸上的人工電磁介質(zhì)最早用來制作負(fù)折射“超透鏡”，后來被用于設(shè)計控制空間電磁場的分布和波的傳輸。由此，超常材料引領(lǐng)了光學(xué)的一個研究分

2、支“變換光學(xué)”。經(jīng)過多年的研究，超常材料非凡的電磁特性提醒我們，不論是在線性還是非線性領(lǐng)域，都要重新審視現(xiàn)有的基本光學(xué)規(guī)律。最近，人們開始探索可調(diào)諧、可切換、具有非線性和傳感功能的超常材料，即“超器件”。超器件是超常材料研究領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)，它主要是在亞波長尺寸將超常材料與功能性的物質(zhì)復(fù)合在一起產(chǎn)生具有特殊功能的器件，這種器件本身就可以被看成是一個微系統(tǒng)。
　　光波導(dǎo)陣列是離散光學(xué)中研究非線性光現(xiàn)象的一種基本結(jié)構(gòu)，為研究周期性非線性

3、系統(tǒng)提供了便利。這種結(jié)構(gòu)的衍射和折射規(guī)律可以被調(diào)控，所以在微結(jié)構(gòu)光子器件的設(shè)計方面有巨大的應(yīng)用潛力。在光波導(dǎo)陣列中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了布洛赫震蕩、調(diào)制不穩(wěn)定性、離散孤子等許多光學(xué)現(xiàn)象。此外，人們還發(fā)現(xiàn)給波導(dǎo)陣列引入周期性的調(diào)制可以調(diào)控其衍射性質(zhì)。通過調(diào)控陣列的空間幾何結(jié)構(gòu)可以靈活的控制離散光的傳輸，為實(shí)現(xiàn)光操控提供了新機(jī)遇。最近，科研工作者將負(fù)折射超常材料引入到波導(dǎo)陣列的設(shè)計中，未來含有負(fù)折射超常材料的波導(dǎo)陣列必將會在光傳輸方面發(fā)揮特殊的功能。然

4、而，關(guān)于含有負(fù)折射超常材料波導(dǎo)陣列的非線性光學(xué)特性的研究還較少，有許多未知的新現(xiàn)象要我們?nèi)ヌ剿鳌Ｋ员疚闹饕芯亢胸?fù)折射超常材料的波導(dǎo)陣列的非線性光現(xiàn)象，取得的主要結(jié)果如下:
　　第一，利用超常材料的負(fù)折射只能在一定的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，建立了超常材料二次諧波過程中基波和二次諧波在負(fù)正不同折射區(qū)域內(nèi)傳輸?shù)哪Ｐ?。在這種設(shè)想下，我們利用Drude模型獲得了影響光傳輸?shù)纳?、相位失配、群速度失配等參量，研究了二階非線性超常材料二次諧

5、波產(chǎn)生過程中的調(diào)制不穩(wěn)定性現(xiàn)象。結(jié)果顯示，基波的群速度色散隨著頻率的變化經(jīng)歷了由反常色散到正常色散的跳變?；ǖ呢?fù)波矢方向使得二次諧波過程中能產(chǎn)生調(diào)制不穩(wěn)定性的相位失配范圍和傳統(tǒng)材料中的相反，相位失配相比于其它兩個參量對調(diào)制不穩(wěn)定性增益的影響也較大。由于超常材料的強(qiáng)磁導(dǎo)率對負(fù)折射率的影響，使得基波和二次諧波的折射率差在一個很大的范圍內(nèi)波動。當(dāng)頻率靠近非零臨界相位失配點(diǎn)時，基波和二次諧波的折射率差小，對應(yīng)小的相位失配和低增益;當(dāng)頻率遠(yuǎn)離非

6、零臨界相位失配點(diǎn)時，則對應(yīng)大的相位失配和高增益。同時，我們還模擬了基波和二次諧波的傳輸情況，發(fā)現(xiàn)它們在超常材料中傳輸時都可以演化成脈沖串。
　　第二，受到超常材料對不同頻段的光波可以顯示正折射或負(fù)折射性質(zhì)的啟發(fā)，我們研究了正折射材料波導(dǎo)和負(fù)折射材料波導(dǎo)交錯排列的波導(dǎo)陣列的色散特性和調(diào)制不穩(wěn)定性現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)折射使得色散關(guān)系和調(diào)制不穩(wěn)定性區(qū)域與橫向波矢有很大的關(guān)系。由于負(fù)折射的作用，橫向波矢由0變到180度時，非線性色散關(guān)系由兩

7、條非線性的曲線變成了一條線性直線，調(diào)制不穩(wěn)定性增益區(qū)域增加。但是，負(fù)折射通道的非線性聚焦特性只在橫向波矢為0時對調(diào)制不穩(wěn)定性增益有復(fù)雜的影響。此外，除了波導(dǎo)通道的非線性，正折射通道和負(fù)折射通道間的非線性相互作用也可以對調(diào)制不穩(wěn)定性的增益產(chǎn)生影響。
　　第三，為了探究負(fù)折射超常材料波導(dǎo)通道對波導(dǎo)陣列中傳輸光的影響。我們改進(jìn)了“之”字形波導(dǎo)陣列，讓三個通道分別是兩個不同材料的正折射波導(dǎo)和一個負(fù)折射超常材料波導(dǎo)。研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)折射通道的非

8、線性和和功率對調(diào)制不穩(wěn)定性增益的影響非常相似，只影響調(diào)制不穩(wěn)定性增益譜上的部分旁瓣。但是由于正負(fù)折射通道間的非線性相互作用，調(diào)整正折射通道的非線性可以提高負(fù)折射通道的非線性對調(diào)制不穩(wěn)定性增益的影響。在不同非線性條件下，橫向波矢由0跳變到π，調(diào)制不穩(wěn)定性區(qū)域減小，但增大負(fù)折射通道間的耦合系數(shù)，調(diào)制不穩(wěn)定區(qū)域增加。這些研究結(jié)果將會對波導(dǎo)陣列中孤子的研究有指導(dǎo)意義。
　　第四，我們?yōu)樨?fù)折射超常材料光格點(diǎn)引入縱向周期性的調(diào)制，探究負(fù)折射和

9、周期性調(diào)制共同作用下光格點(diǎn)的光學(xué)特性。研究發(fā)現(xiàn)，一維雙周期負(fù)折射光格點(diǎn)的負(fù)折射抵消了縱向反相位調(diào)制深度對衍射的影響，使相同結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)材料光格點(diǎn)的衍射曲線上的衍射平臺消失。在能產(chǎn)生調(diào)制不穩(wěn)定性的縱向調(diào)制深度的范圍內(nèi)，入射功率的高低對增益的影響大不相同。低功率入射時，格點(diǎn)波矢對增益基本沒有影響，而且耦合系數(shù)和非線性系數(shù)對增益的影響在相同的微擾范圍內(nèi)相反。這有利于孤子的產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)上也容易操作。但是高功率入射時，格點(diǎn)波矢對增益譜的影響增大，而且能