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《华中科技大学》 2004年
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光子晶体的非线性光学特性研究

邓开发  
【摘要】:1987 年,E.Yablonovitch 和S.John 提出介电常数呈周期性分布的材料可以改变在其中传播的光子的行为,并称这种材料为光子晶体。光子晶体的特点是具有光子带隙(PBG),在带隙中的光波是不能传播的,并且能控制自发辐射,产生“光子局域”。这些特性决定了它具有广阔的应用前景,从而成为世界研究领域的重要课题之一。本论文就是针对光子晶体结构、非线性光学特性及其应用展开深人研究。 本文介绍并研究了光子晶体的理论研究方法:传输矩阵法和时域有限差分法(FDTD)。同时使用传输矩阵法、时域有限差分法和格林函数法对光子晶体的透视谱和反射谱及非线性光学效应作了数值计算。 论文重点研究了光子晶体的非线性光学效应,分别对一维光子晶体和二维光子晶体的谐波特性和双稳态特性作了研究并指出了其应用价值。 关于光子晶体的二次谐波的产生和增强。理论分析和数值计算表明:相位匹配条件满足的情况下,光子晶体(PBG)中的二次谐波的产生的效率和增强会大大提高。文章中我们重点分析了光子晶体的结构,周期性,介质折射率,缺陷模等因数对二次谐波的增强的影响,以及如何提高二次谐波的产生和增强,作了理论的设计分析。分析了二维金属Ag 排列的光子晶体的二次谐波产生和增强。并用FDTD 方法对二维缺陷光子晶体的二次谐波的产生和增强作了计算和模拟。 光子晶体的双稳态现象是光子晶体制作光限幅器和光开关的理论基础,具体地通过对一维、二维的各种不同结构的非线性光子晶体的双稳态特性作了理论分析和数值计算,结果表明:高和低折射率介质的周期数,缺陷层的厚度,入射光的频率等因数对双稳态阈值有着重要的影响。具体表现为缺陷层中光场的增强和线宽的变窄增强了缺陷层中的非线性光学效应,因而能更容易地产生双稳态现象,从而降低其阈值;周期数的增加和缺陷层厚度的增加,也能降低双稳态阈值。由于非线性光学效应,随着光强的增强,缺陷模将产生红移。这就要求入射光场频率相对于缺陷模首先有一个红移。入射光场红移的大小,要由阈值的大小和线宽决定。阈值越小,线宽越窄,入射光场频率应更接近缺陷模。综合考虑周期数,缺陷层厚度,红移的复杂关系,以期得
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