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光折变非线性表面波的研究

任相魁  
【摘要】:光折变表面波是一种可沿光折变非线性介质表面传播的光波,它能将光能量约束在光折变介质近表面狭层空间。其高能量密度的特点和可沿直线传播而实现的相位匹配,使各种表面非线性光学效应得以增强。因此,光折变表面波在波导制备、谐波产生和集成光学器件设计等方面具有潜在的应用价值。 尽管人们对光折变表面波已经有了较深入的了解,但对光折变表面波的产生机制、模式调控及其稳定性等很多问题都还需要做进一步的研究。此外,随着双光子光折变晶体以及聚合物和液晶等新型光折变材料的发展,材料的光折变性能也比传统的无机晶体有了长足的提高和优化。本论文围绕光折变表面波相关问题作了系统的研究,主要内容包括: (1)研究了光折变表面波的产生机制,较系统地分析了光折变效应的三种非线性机制,扩散、漂移和光生伏打效应,对光折变表面波的作用。指出扩散非线性是光折变表面波形成的本质原因,漂移非线性和光伏非线性并不是光折变表面波形成的必要因素,但是可利用它们对光折变表面波模式进行调控。 (2)研究了光折变表面波的激发和模式特征,给出了光折变表面波的模式与光波入射角和传播常数的关系,较大的入射角对应较大的传播常数和低阶模式的表面波,较小的入射角对应较小的传播常数和高阶模式的表面波。 (3)分析了光折变表面波的稳定性。建立了等效振子模型并利用该模型实现了对光折变表面波稳定性的直观定量分析,指出外加电场存在一个阈值Eth=(k02n2-β2)/k02n4reff,如果电场高于此阈值,光折变表面波的稳定性将会被破坏同时利用快速傅里叶变换光束传播理论对稳定性进行了测试。 (4)研究了双光子光折变晶体中光折变表面波的形成机制与特点。单光子光折变表面波所诱导的表面波导可以方便地被擦洗掉,但同时这种可擦洗性也使得表面波导存在不稳定性因素,不利于长期保存。由于双光子光折变效应特殊的两步激发机制,双光子光折变表面波可以诱导出不可擦洗的表面波导,这为表面波导永久性存储问题的解决提供了有效方案。 (5)系统地研究了聚合物和液晶光折变材料中的光折变表面波。相对无机光折变晶体,聚合物和液晶光折变材料具有成本低廉、结构可控、工作波长范围宽、易于加工等优点,而且其光折变性能也比无机光折变晶体高出很多。我们建立了聚合物和液晶光折变表面波的理论分析模型,研究结果表明外电场不仅可以调节光折变表面波的空间频率,还可以有效地控制其贯穿深度,而且聚合物和液晶光折变表面波还具有较独特的偏振依赖性,比起无机光折变表面波更加灵活可控。此外,液晶光折变表面波的激发和调控所需的外加电场很低。以上特点使光折变表面波的性能得以提高,并有望得到更广泛的实际应用。 本论文对光折变表面波进行了系统性的研究,创新点如下: 1.首次建立了光折变表面波的等效振子模型,证明了扩散机制是形成光折变表面波的本质原因,漂移非线性和光伏非线性不是光折变表面波形成的必要因素,但是可利用它们对光折变表面波模式进行调控。给出了光折变表面波的模式与入射角和传播常数的关系,并提出了基于等效振子模型的稳定性分析方法,可定量分析外电场对表面波稳定性的影响。 2.首次提出在双光子光折变介质中可以形成光折变表面波,从而诱导出可长期保存的表面波导。 3.首次建立了有机聚合物和液晶光折变表面波的理论分析框架,并从理论上证明了在液晶光折变材料表面可以形成光折变表面波。由于聚合物和液晶材料特殊的取向增强光折变效应,外加电场不仅可以改变聚合物光折变表面波和液晶光折变表面波的空间频率,还可以有效地控制其贯穿深度。


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