声子极化激元与准位相匹配耦合物理特性的研究

传统准位相匹配理论和技术重点研究光波频段不同频率参量光波之间相互作用过程中的位相补偿，以实现高效的非线性光学频率转换。随着对固体元激发研究的深入以及太赫兹科学与技术的发展，声子极化激元参与非线性光学过程物理特性的研究开始受到重视，目前声子极化激元与微结构超晶格材料非线性频率转换中耦合物理特性的研究一直是空白。本项目拟在传统准位相匹配理论的基础上研究声子极化激元与准位相匹配耦合过程的物理特性；重点研究微结构超晶格材料中声子极化激元参与的多重准位相匹配过程与局域准位相匹配过程；研究这些耦合物理特性对非线性光学非弹性散射及光子学太赫兹波产生过程的影响。初步研究表明：介电体声子极化激元与光学超晶格材料准位相匹配的耦合过程能产生新的物理效应，有望在多重准位相和局域准位相匹配过程中实现二阶和三阶非线性光学过程的增强。

本项目研究了微结构超晶格材料中声子极化激元和多重准位相匹配过程和局域位相匹配的耦合过程及其对光子学太赫兹波产生过程的影响。.研究了电子极化和离子极化的非线性极化特性，得到了传统非线性光学材料中电子极化和离子极化非线性率表达形式和新的非线性耦合方程。按照晶格振动与电磁波耦合的强弱，对耦合导致的光学非线性与传统非线性光学系数比较，对电磁波范围进行了区域划分为传统二阶光学非线性区域、共存区和强耦合区。这三个区域内晶格振动导致的非线性对光学非线性系统中整体光学非线性的影响，提供了一种调控晶体非线性光学系数的方法。.声子极化激元和准位相匹配耦合过程的理论体系通常采用二维畴结构，常规的耦合方程方法无法对此进行有效计算。目前，可用于二维复杂结构进行计算的数值方法主要有FDTD方法以及有限元方法。但是，这些方法通常只能对微米量级畴结构区域进行计算，而我们通常研究的光学超晶格的大小在厘米量级，用常规的FDTD等方法进行计算在运算量方面存在很大的困难。为此我们发展了一种有效的数值计算方法。该方法也是一种差分(FD)算法，此方法只需要在空间上进行差分离散化，而并不需要对时间轴进行离散化。此外，此方法的空间离散化步长可以很大，甚至可以远大于波长，这种算法的运算速度与常规FDTD方法相比有运算速度的明显优势。.研究了偏振耦合的非线性光学效应和过程。结合传统的非偏振耦合三倍频与偏振耦合三倍频，提出了多重准位相匹配三倍频的系统理论。以倍频加和频的三倍频产生过程为研究对象，提出一共存在24种耦合模式，并根据对基波偏振利用方式的不同，将这24种耦合模式分为三大类。每一类都包含有8种不同的模式，由一组统一的耦合波方程描述，并具有统一的耦合性质。传统的非偏振耦合三倍频模式与偏振耦合三倍频特殊模式均可以归入到相应的类别。.利用腔相位匹配技术开展了频率梳理论和实验的研究，实验上验证了非线性参量过程和晶格振动耦合产生太赫兹的增强。实验采用MgO: LiNbO3薄片晶体，形成532nm泵浦的片状光参量振荡器（SOPO）。在晶体温度为110C条件下，得到泵浦光单次通过微腔和将泵浦光反射即双通过程的光谱。双通过程增加梳状光谱的带宽，纵模间隔保持0.49999nm不变，纵模间隔换算到频域为0.132THz。进一步提高SOPO的Q值，提高腔内功率密度，增强差频过程，可以增强太赫兹辐射。SOPO有望成为集成化太赫兹源。