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基于周期性极化铌酸锂晶体横向电光效应的偏振耦合及其应用

霍娟  
【摘要】:光作为基本粒子,拥有动量、能量和角动量等信息,同时光作为电磁波,又具备振幅,相位,强度以及群速度等信息,如何对上述光学信息进行调控是我们研究的主要内容。光调控是非线性光学与信息科学结合而成的一门交叉学科,具有响应时间短,信息储存量大等优点,在光信号传递、光通信领域都占有十分重要地位。本文以偏振耦合理论为基础,提出了一种调控光子角动量的方法,以及多种调控光波强度和相位的方法。 周期性极化铌酸锂晶体是本文研究工作的核心元件,我们简要介绍了利用室温电场极化法对该晶体进行制备的过程,并结合横向电光效应提出了偏振耦合理论,利用琼斯矩阵法和偏振耦合模方程分析了周期性极化铌酸锂晶体在外加电场作用下的滤波特性。提出了两种光强调控方法——基于周期性极化铌酸锂晶体的索科(Solc)型可调谐滤波器和1×2精确电光开关。其中,Solc型可调谐滤波器可以将宽谱的光信号变为窄带信号,且滤波器的中心波长可以通过控制晶体温度来进行调谐,而1×2电光开关在中心波长确定时,通过切换外加电场强度,即可实现对光信号的控制,此外,通过提高外加电场的强度还可以获得平顶光谱,基于此设计出的平顶式1×2精确电光开关的稳定性和精确度更高,适用范围更广。 以横向电光效应引起的偏振耦合理论为基础,我们在周期性极化铌酸锂晶体中实现了自旋角动量调控。既从宏观的角度分析了光波在周期性极化铌酸锂晶体中传播的偏振演化,又从微观的角度探讨了光子自旋角动量的变化,提出了利用工作波长和电场对光子的自旋角动量进行双向调控的方法。这种灵活有效的光子角动量调控方法有望在量子领域中得到应用。 以偏振耦合理论为基础,类比于二次谐波级联,我们提出了一个全新的概念——偏振耦合级联。与二次谐波级联可以诱导出有效三阶非线性效应类似,偏振耦合级联过程可以增强有效电光克尔效应。周期性极化铌酸锂晶体中的有效电光克尔系数比普通铌酸锂晶体的电光克尔系数大几个量级。此外在偏振耦合级联过程中可以产生非线性相移,其相位可以通过改变外加电场进行调谐。 偏振耦合级联效应在光学信息调控方面的应用十分广泛。一对正交偏振的耦合波在施加了横向电场的周期性极化铌酸锂晶体中传播时,光波的相位和强度并不依赖于入射光的绝对强度,而是由两束入射光的光强比来决定。通过马赫-曾德干涉实验,我们验证了基于偏振耦合级联效应的全光相位调控的可行性,此外,我们还通过理论模拟提出了全光强度调控设想。这意味着基于偏振耦合级联效应,全光操作有望在弱光领域中得以实现。


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