非线性负折射材料中超短脉冲三波耦合特性研究

Negative-index material (NIM) is a kind of artifical matematerial, which the optical and electromagnetic properties are controllable according to people's purpose. Different from the conventional optical material, the refractive indice of NIM is negative at a certain range of wavelengths, moreover, it has magnetic response to optical waves, namely, it has the permeability (μ = μ(ω)). This project will discuss the coupling properties of three ultrashort pulses propagating in nonlinear NIM. We will establish a theoretical model to describe the three-wave coupling process with distinct physcial significance and concise mathematical form at first. Using this model, the specificities and laws of ultrafast three-wave coupling in different area will be revealed, respectively. Especially, we will foucs on the new nonlinear phenomena and effects of three-wave coupling in the ninlinear NIM caused by the dispersive permeability, and we will explain the phycial reasons. This project will help us understanding of the complex properties and laws of ultrashort pulses propagating in NIM, futhermore, it will lay the theoretical foudation for the application (such as frequency converter, optical parametric amplificater, etc) of nonlinear NIM.

负折射材料是一种人工微结构材料，其电磁和光学特性可人为设计。与常规光学材料相比，它对光有磁响应特性，具有色散磁导率，同时对一定带宽范围内的光有负的折射率。本项目研究超短脉冲在负折射材料中三波非线性耦合的特性，建立物理意义清晰、数学形式简洁的三波耦合理论模型,揭示超短脉冲在不同折射率区非线性耦合的特性和规律；特别是发现因负折射材料的磁响应特性导致的三波非线性耦合的新现象和新效应，并解释其物理原因。在此基础上，探索在负折射材料中有效实现三波耦合的方法和手段。该项目的完成将加深对负折射材料中超短脉冲传输的复杂特性和规律的认识和理解，同时为发展基于非线性负折射材料奇异特性（如波的反向传输，非线性系数的大小和符号可控等）的应用（如频率转换、光参量放大等）奠定理论基础。

与常规光学材料相比，负折射材料最大的特点就是它对光有磁响应特性，具有色散磁导率。本项目主要研究了短脉冲在非线性负折射材料中的三波耦合特性。首先建立了适用于非线性超常材料（包含负折射材料）的短脉冲非线性传输的广义物理模型，证实了正是由于色散磁导率的引入才导致超常材料中可控的自陡峭效应和高阶非线性色散效应。利用该模型，本项目研究了包含负折射材料的定向耦合器中的反常的二阶非线性调制不稳定特性；研究了基波谐波短脉冲反向耦合传输时谐波脉冲呈现的奇异波形。在此基础上，结合零折射率材料和F-P共振腔探索了非线性效应增强手段，其谐波转换效率有望提升6个数量级。此外，在光子器件设计方面，还研究了有限多层超常材料构成的电磁隐身斗篷的低散射优化设计问题，以及设计了一种基于一维光子晶体的小角域带宽、空间偏振无关的空间滤波器。本项目探索了负折射材料中短脉冲耦合传输的复杂特性，为包含负折射材料在内的超常材料的应用（定向耦合器、空间滤波器，脉冲压缩、脉冲整形等）奠定了一定的理论基础。