人工共振吸收介質(zhì)中的超快動力學特性研究.pdf

1、光子晶體人工材料以及負折射率人工異向介質(zhì)是近年來發(fā)展起來的兩種新型光子學材料，本論文的主要內(nèi)容是對超短激光脈沖與共振吸收(放大)光子晶體以及與共振吸收異向介質(zhì)相互作用進行理論研究。
　　 異向介質(zhì)是最近十年才發(fā)展起來的一種新型光子學材料。盡管異向介質(zhì)具有誘人的前景，但是關(guān)于異向介質(zhì)中負折射的存在和完美透鏡的實現(xiàn)等基本問題都招來了諸多非議，而有些反對意見(比如異向介質(zhì)中正折射的出現(xiàn)、固有損耗的影響)并沒有引起足夠的重視，也沒有得到

2、完滿的回答。為了回答這些基本問題，本論文的第一部分研究了超短激光脈沖在共振吸收異向介質(zhì)中的傳播動力學機制，并取得了一些新的研究結(jié)果。主要體現(xiàn)在：
　　 (1)從理論上預(yù)言了一類新型的后向波孤子——一種已經(jīng)被科學家探究了上百年的效應(yīng)——一種在稀疏摻雜二能級的共振吸收異向介質(zhì)中能夠穩(wěn)定后向傳播的、并保持左手特性的自感應(yīng)透明孤子。其蘊含的新物理在于二能級和異向介質(zhì)與光場的強耦合作用。這一耦合允許在損耗和色散影響之前的非線性、可逆的能量

3、轉(zhuǎn)換和同步性。我們發(fā)現(xiàn)2π面積的超短激光脈沖可以演化為自感應(yīng)透明類孤子，因此這樣克服了異向介質(zhì)中的固有損耗和色散而同時卻仍然保持左手特性。這些結(jié)果有望在實驗中得到驗證。同時，異向介質(zhì)特性與自感應(yīng)透明的嶄新結(jié)合有望推動無損耗、無色散的異向介質(zhì)特性研究。
　　 (2)回答了異向介質(zhì)中存在正折射的原因和負折射現(xiàn)象出現(xiàn)的條件。這是異向介質(zhì)系統(tǒng)中尤其重要的問題，因為與負折射和完美透鏡可能性相關(guān)的物理機制是近年來受到激烈爭議的研究課題。然而

4、，遠非顯而易見的是，我們的分析表明能流方向并非與負折射率同步響應(yīng)，當考慮與極化強度累積(響應(yīng))相關(guān)的損耗取合適值時，相位面和能量面都將發(fā)生負折射。這一發(fā)現(xiàn)與最近Stockman[Phys.Rev.Lett.98，177404(2007)]提出的關(guān)于負折射的理論相當吻合。
　　 (3)預(yù)言了共振非線性克爾異向介質(zhì)中自感應(yīng)透明光學呼吸子存在的條件。盡管在克爾介質(zhì)中不存在自感應(yīng)透明光學呼吸子是一個尚未解決的難題，然而我們發(fā)現(xiàn)在共振吸收

5、克爾異向介質(zhì)中，當脈沖激發(fā)條件合適時，不僅能夠形成移動的自感應(yīng)透明光學呼吸子，而且可以形成靜止的光學呼吸子。同時，即使有較小的噪音干擾，也不會影響光學呼吸子的穩(wěn)定性。
　　 光子晶體結(jié)構(gòu)是由不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空間周期性排列而成的。光子晶體最主要的特征就是具有光子帶隙，頻率落在帶隙中的光是被禁止傳播的。由于光子帶隙的存在，光子晶體在控制光的傳播尤其是在抑制光的自發(fā)輻射方面具有獨特的優(yōu)勢。近年來，利用光子晶體實現(xiàn)超短激光脈沖的

6、產(chǎn)生和操控技術(shù)在科學研究等諸多領(lǐng)域都起著日益重要的作用，其應(yīng)用范圍涉及到高速光通信、光學計算以及超快信息處理。為此，本論文的第二部分對共振吸收(放大)光子晶體中超短激光脈沖的相干操控作了深入的研究，取得了一些有意義的結(jié)果。主要包括：
　　 (1)提出一類新型的激光器芯片結(jié)構(gòu)——周期性放大Bragg結(jié)構(gòu)中相干孤立波串的自脈沖機制。值得一提的是，從我們的數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)，以半導(dǎo)體量子阱作為激光器芯片結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生重復(fù)率高達90.1 GH

7、z、半高全寬為1.84ps的孤立波串。通過理論分析和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，所產(chǎn)生的孤立波的群速度和能量速度都表現(xiàn)出了超光速行為。相反，我們發(fā)現(xiàn)均勻摻雜增益介質(zhì)中也可以產(chǎn)生超短脈沖，只是由于存在固有不穩(wěn)定性而容易變得混亂。
　　 (2)發(fā)展了一種描述二能級量子自旋系統(tǒng)的普適性定理。盡管在極化二能級系統(tǒng)中慢變振幅近似失效是一個公開的難題。我們發(fā)現(xiàn)在二能級系統(tǒng)中引入符號函數(shù)后，通常的慢變振幅近似也得到了修正。與之相反，我們發(fā)現(xiàn)為避免通常慢變振