基于光子准晶二次谐波的负折射成像及局域特性研究

The nonlinear optical effects of imaging and localization for second harmonic (SH) would be achieved by modifying and controlling SH propagation properties in photonic crystals, which have been a new research direction of nonlinear optics in recent years. In comparison with photonic crystals, photonic quasicrystal (PQC) provides an important platform for the development of superior nonlinear optical effects due to their advantages in focusing and imaging as well as light localization. This program will investigate the characteristics of unpolarized SH negative refraction imaging and double-wavelength SH localization based on the SH propagation properties in photonic quasicrystal (PQC). First, the band structure of PQC will be calculated by methods of supercell crystal approximants and plane wave expansion, and we will establish the approach for satisfying the unpolaried all-angle phase matching condition. Second, the properties of all angle negative refraction propagation and double resonance localization for SH in the PQC will be investigated based on the theory of multiply scattering. Based on the above research, on one hand, the image intensity, image resolution and object-imaging relation will be achieved by exploring the properties of SH imaging from the unpolarized PQC lens; On the other hand, the effect and law of fundamental frequency localized mode and SH localized modes on the SH localized properties will be revealed by studying double-wavelength SH local field enhancement in the QPC microcavities. The researcher results of this program have important application values in the areas of biological detection and optical integrated circuits.

在光子晶体中调控二次谐波传输特性，以获得二次谐波成像和反向二次谐波局域等非线性光学效应，成为近年来非线性光学的新研究方向。对比光子晶体，光子准晶在聚焦与成像和光局域等方面更具优势，为发展更优越的非线性光学效应提供了重要的平台。本项目拟以光子准晶中的二次谐波传输特性为基础，开展偏振无关二次谐波负折射成像和双波长二次谐波局域的特性研究。首先，采用超元胞晶体近似法和平面波展开法对光子准晶的能带进行计算，建立偏振无关全角相位匹配的方法；其次，基于多重散射理论，研究光子准晶中二次谐波的全角负折射传输及双共振局域特性；在此基础上，一方面探索偏振无关光子准晶透镜的二次谐波成像特性，获得像强、像分辨率及物像关系；另一方面研究光子准晶微腔的双波长二次谐波局域场增强特性，揭示基频局域模与倍频局域模分别对二次谐波局域效应的影响及规律。本项目的研究结果将在生物检测和光集成回路等领域有重要的应用价值。

随着人工设计和制备的微结构的不断发展，非线性频率转换过程尤其是二次谐波产生的研究得到了很大地发展，已成为非线性光学领域的研究热点。项目组成员围绕着计划任务书中预定的研究内容和目标，开展了人工微结构中的二次谐波传输及局域特性，主要研究结果有：（1）恰当地构建了光子晶体单线缺陷波导，使其能形成有效的宽单模运行区。基于平面波展开法，理论分析了结构参数对波导内的基频模和倍频模之间的相位匹配、群速度匹配和慢光效应的影响和规律，获得了光子晶体波导中的多波长二次谐波局域增强特性，及基频模和倍频模的群速度对二次谐波局域特性的影响机制。这些结果将在生物医学、量子光学、非线性光电耦合等领域有重要的应用价值。（2）采用模式展开法和时域有限差分法，理论分析了光子晶体平板中不同偏振光（包括TE波和TM波）的色散关系，获得了结构对称性及结构参数对不同偏振的导模共振传输特性影响，建立了光子晶体平板中非偏振连续域束缚态的调控方法。在此基础上，基于基频模和倍频模（连续域中的束缚态）之间的完美相位匹配，理论上可以实现光子晶体平板中无辐射传输的非偏振二次谐波产生效应，这将为消除光子晶体平板中二次谐波产生过程中的辐射损耗提供了一种全新的有效途径。.本项目总体取得了比较好的研究成果，完成了计划任务书制定的成果目标，并以此为基础有了一些新发现。我们对人工微结构中二次谐波产生的物理本质有了新的认识，研究结果不仅在学术研究方面具有重要的科学意义，在新型光学功能器件及构建光集成回路中亦具有潜在的应用价值。相关的研究成果发表标注SCI检索论文5篇（其中第一标注2篇，第二标注3篇）。