基于人工电磁媒质的三阶非线性效应调控机理研究

Man-made electromagnetic media such as photonic crystals and metamaterials have provided a new technical way for further improving and enlarging applications of nonlinear effects such as laser frequency change, formation of ultrashort laser pulses, all-optical signal processing and all-optical ultrafast switch. Taking the third-order nonlinear effects in photonic crystals as an example, by means of theoretically evaluating and numerically retrieving the effective nonlinear refractive index coefficient, we will see through the appearance of enhanced nonlinear effects in man-made electromagnetic media and deeply investigate their underlying physical mechanisms. Effective methods and rules for enhancing nonlinear effects by virtue of man-made electromagnetic media will be obtained and two or three sorts of new-type nonlinear photonic devices will be presented.

光子晶体、超材料等人工电磁媒质为更好地改善和拓展激光频率转换、超短激光脉冲产生、全光信号处理以及超快开关等非线性光学应用提供了全新的技术途径。本申请项目以光子晶体中的三阶非线性效应为例，从人工电磁媒质等效非线性折射率系数的理论估算、数值仿真提取两方面入手，透过非线性效应增强的表面现象深入研究人工电磁媒质调控非线性效应的物理机理，获得人工电磁媒质增强非线性效应的有效方法和规律并在此基础上提出2-3种新型非线性光子器件的完整设计方案和技术路线。

非线性光学效应对于激光频率转换、超短脉冲产生以及全光信号处理和超快光开关等现代光学应用至关重要。项目组以光子晶体中的三阶非线性效应为例，首先建立起一种基于自相位调制效应的人工电磁媒质等效三阶非线性折射率系数的仿真提取方法。该方法利用时域有限差分法仿真啁啾高斯脉冲在人工电磁媒质（能等效为均匀各向同性介质）中的非线性频谱展宽或压缩，通过对比各向同性均匀介质中的理论计算结果，近似估算人工电磁媒质的等效非线性折射率系数。其次，项目组利用该方法对二维光子晶体中的三阶非线性效应进行了系统和深入地研究，如研究了光子晶体负折射率频带的等效非线性折射率系数，发现将常规自聚焦介质排列成特定光子晶体结构，可以实现基于负折射率的非线性自散焦效应；系统地研究了光子晶体第一导带的等效非线性折射率系数，并在计及慢光效应和局域场效应的前提下修正等效介质理论，提出一种理论估算等效非线性折射率系数的方法，探索了人工电磁媒质调控非线性效应的机理；利用光子晶体第一导带TE波和TM波截然不同的场局域效应，实现了一种极化依赖的自聚焦和自散焦效应；利用光子晶体结构色散补偿非线性材料色散，实现了一种位相匹配的三次谐波产生，而且这种位相匹配与基频光的传播方向和极化状态无关。此外，为增强表面受激拉曼散射效应，项目组还尝试根据场局域优化设计金属纳米结构的尺寸，大大提高了拉曼信号的检测灵敏度。本项目的研究成果为人工电磁媒质非线性研究提供了一种可供借鉴的理论估算方法和数值模拟方法，对进一步探索人工电磁媒质非线性效应的调控机理、开发基于人工电磁媒质的非线性光子器件亦有一定参考价值。