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《湖南大学》 2017年
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基于光子晶体的自散焦及三阶非线性效应调控机理研究

易为  
【摘要】:非线性光学效应对于超短脉冲产生、超快光开关以及激光频率转换和全光信号处理等现代光学应用至关重要。然而,常规光学材料的非线性系数不仅响应慢而且非常小。为了能够对这些应用的性能进行更好地改善和拓展,非线性光学研究领域的学者们一直梦想拥有一种新型非线性介质——在具有超大非线性系数的同时也有极快的响应速度。光子晶体、超材料等人工复合电磁媒质的出现,为学者们的梦想成真提供了可能的技术途径。人工电磁媒质是一种具有天然材料所没有的电磁特性的人工微结构材料,在过去的20年里一直是科研人员研究的热点领域。相对于超材料而言,光子晶体不含金属成分,因而具损耗更低。本文以二维光子晶体中的三阶非线性效应为研究对象,探索光子晶体中自散焦效应和非线性效应的调控机理。具体而言,本文综述了光子晶体调控非线性效应的研究背景、意义、国内外发展现状以及相关理论,所涉及的主要工作以及创新点如下:第一,根据自相位调制导致的频谱展宽,建立了基于时域有限差分法的人工微结构等效非线性折射率系数提取方法。利用时域有限差分法仿真啁啾脉冲在非线性人工微结构中的传输,通过匹配出射脉冲频谱与理论计算频谱得到人工微结构的等效非线性折射率系数。第二,从光子晶体等效非线性折射率系数的角度论证了场局域效应和慢光效应是调控光子晶体非线性效应的物理本源。在二维光子晶体第一导带,我们首先从原胞内的电场空间平均引入场局域因子修正了光子晶体的等效介电常数。其次,引入慢光增强因子最终得到光子晶体的等效非线性折射率系数的理论表达式。最后,我们利用时域有限差分法仿真提取该光子晶体的等效非线性折射率系数,发现其与理论计算结果吻合得较好。第三,仿真验证了负折射率光子晶体中的可控自聚焦效应。我们首先在自聚焦非线性介质二硫化碳中插入硅棒构成二维光子晶体。其次,利用时域有限差分法仿真提取其在第二导带即负折射率频带的等效非线性折射率系数,发现该系数为正数。最后,我们利用时域有限差分法仿真高斯光束在该非线性光子晶体中的传输,发现会聚高斯光束在光子晶体中发生自散焦现象,而发散高斯光束则在光子晶体中会聚,但焦斑比入射发散高斯光束的束腰大。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O437;O734

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