反铁磁体系在毫米远红外频区的磁非线性光学性质研究

反铁磁体系（包括薄膜、多层膜和光子晶体）的光学非线性研究近来受到很大关注，它们的频率响应区间处于太赫兹（THz）区间。太赫兹波频区是目前国际上新的通信和探测技术开发的重要频谱区域。因此在这一区间研究加工太赫兹波的材料是具有实际意义的。理论上传统非线性光学性质主要来自于介质中的电极化对电磁波电场的非线性响应。介质中的磁化对电磁波磁场的非线性响应还远没有形成系统的理论，而这对磁性介质的光学性质十分重要。我们将以典型的双子格反铁磁体（如过渡族金属氟化物）为例系统地研究反铁磁体系的各种磁非线性光学过程，包括和频、差频效应以及各种三阶效应。这将为这种材料的未来应用奠定理论基础。在最近研究中，我们已就特殊位型、特殊条件下的反铁磁非线性极化子[7，10]，二次谐波[11，12]以及双稳态[24]进行了讨论。本项目执行中，我们将在普通情况下给出系统的理论，用它讨论最基本的磁非线性光学现象。

反铁磁体的频率响应区间是在毫米波到微米波（远红外或THz区域），我们研究了这种介质的典型非线性和线性磁化率. 在实验上经常使用的横向外磁场或平行外磁场中，我们获得了完整的一阶、二阶、三阶动力学磁化率. 由于反铁磁体的对称性比较低，数学过程复杂，并且非线性矩阵的非零元素较多. 在这些结果基础上，我们研究了由反铁磁体/离子晶体, 反铁磁体/电介质, 反铁磁体/金属等构成的光子晶体, 超晶格, 薄膜或多层膜的磁线性和非线性光学性质. 我们预言了许多有异议的现象：在金属/反铁磁体/金属的Fabry-Perot干涉仪结构下，清晰的光学多稳态和双稳态出现, 更进一步发现在电介质/反铁磁体/电介质三明治结构的反射光谱上也看到了清楚的光学开关效应. 我们还对反铁磁体/电介质的二维光子晶体的带结构的研究中建立了一套Green函数方法. 在研究由离子晶体/反铁磁体构成的光子晶体时发现它在特定的频区上具有左手性，折射率是负值. 我们研究了利用光子晶体缺陷态的原理去放大反铁磁体的非线性，这种方法可使反铁磁膜的二次谐波放大几百倍（与裸反铁磁膜比较）. 我们还对这些体系中的基本激发谱，极化子模式及色散性质进行了充分的讨论. 我们完成了计划任务书规定的任务，发表论文篇.