含負折射通道波導陣列非線性光學特性的研究.pdf

1、超常材料是一種人工合成材料，擁有自然界傳統(tǒng)材料沒有的奇異電磁特性。如果超常材料同時具有負的介電常數(shù)和負的磁導率，則會顯示負折射特性，被稱為負折射超常材料。因為負折射超常材料的波矢、電場和磁場之間符合左手螺旋關系，所以有些文獻中也將這種材料稱為“左手材料”(Left-hand materials)。這種亞波長尺寸上的人工電磁介質最早用來制作負折射“超透鏡”，后來被用于設計控制空間電磁場的分布和波的傳輸。由此，超常材料引領了光學的一個研究分

2、支“變換光學”。經過多年的研究，超常材料非凡的電磁特性提醒我們，不論是在線性還是非線性領域，都要重新審視現(xiàn)有的基本光學規(guī)律。最近，人們開始探索可調諧、可切換、具有非線性和傳感功能的超常材料，即“超器件”。超器件是超常材料研究領域的一個熱點，它主要是在亞波長尺寸將超常材料與功能性的物質復合在一起產生具有特殊功能的器件，這種器件本身就可以被看成是一個微系統(tǒng)。
　　光波導陣列是離散光學中研究非線性光現(xiàn)象的一種基本結構，為研究周期性非線性

3、系統(tǒng)提供了便利。這種結構的衍射和折射規(guī)律可以被調控，所以在微結構光子器件的設計方面有巨大的應用潛力。在光波導陣列中已經發(fā)現(xiàn)了布洛赫震蕩、調制不穩(wěn)定性、離散孤子等許多光學現(xiàn)象。此外，人們還發(fā)現(xiàn)給波導陣列引入周期性的調制可以調控其衍射性質。通過調控陣列的空間幾何結構可以靈活的控制離散光的傳輸，為實現(xiàn)光操控提供了新機遇。最近，科研工作者將負折射超常材料引入到波導陣列的設計中，未來含有負折射超常材料的波導陣列必將會在光傳輸方面發(fā)揮特殊的功能。然

4、而，關于含有負折射超常材料波導陣列的非線性光學特性的研究還較少，有許多未知的新現(xiàn)象要我們去探索。所以本文主要研究含有負折射超常材料的波導陣列的非線性光現(xiàn)象，取得的主要結果如下:
　　第一，利用超常材料的負折射只能在一定的頻率范圍內實現(xiàn)的特點，建立了超常材料二次諧波過程中基波和二次諧波在負正不同折射區(qū)域內傳輸?shù)哪Ｐ?。在這種設想下，我們利用Drude模型獲得了影響光傳輸?shù)纳ⅰ⑾辔皇?、群速度失配等參量，研究了二階非線性超常材料二次諧

5、波產生過程中的調制不穩(wěn)定性現(xiàn)象。結果顯示，基波的群速度色散隨著頻率的變化經歷了由反常色散到正常色散的跳變?；ǖ呢摬ㄊ阜较蚴沟枚沃C波過程中能產生調制不穩(wěn)定性的相位失配范圍和傳統(tǒng)材料中的相反，相位失配相比于其它兩個參量對調制不穩(wěn)定性增益的影響也較大。由于超常材料的強磁導率對負折射率的影響，使得基波和二次諧波的折射率差在一個很大的范圍內波動。當頻率靠近非零臨界相位失配點時，基波和二次諧波的折射率差小，對應小的相位失配和低增益;當頻率遠離非

6、零臨界相位失配點時，則對應大的相位失配和高增益。同時，我們還模擬了基波和二次諧波的傳輸情況，發(fā)現(xiàn)它們在超常材料中傳輸時都可以演化成脈沖串。
　　第二，受到超常材料對不同頻段的光波可以顯示正折射或負折射性質的啟發(fā)，我們研究了正折射材料波導和負折射材料波導交錯排列的波導陣列的色散特性和調制不穩(wěn)定性現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，負折射使得色散關系和調制不穩(wěn)定性區(qū)域與橫向波矢有很大的關系。由于負折射的作用，橫向波矢由0變到180度時，非線性色散關系由兩

7、條非線性的曲線變成了一條線性直線，調制不穩(wěn)定性增益區(qū)域增加。但是，負折射通道的非線性聚焦特性只在橫向波矢為0時對調制不穩(wěn)定性增益有復雜的影響。此外，除了波導通道的非線性，正折射通道和負折射通道間的非線性相互作用也可以對調制不穩(wěn)定性的增益產生影響。
　　第三，為了探究負折射超常材料波導通道對波導陣列中傳輸光的影響。我們改進了“之”字形波導陣列，讓三個通道分別是兩個不同材料的正折射波導和一個負折射超常材料波導。研究發(fā)現(xiàn)，負折射通道的非

8、線性和和功率對調制不穩(wěn)定性增益的影響非常相似，只影響調制不穩(wěn)定性增益譜上的部分旁瓣。但是由于正負折射通道間的非線性相互作用，調整正折射通道的非線性可以提高負折射通道的非線性對調制不穩(wěn)定性增益的影響。在不同非線性條件下，橫向波矢由0跳變到π，調制不穩(wěn)定性區(qū)域減小，但增大負折射通道間的耦合系數(shù)，調制不穩(wěn)定區(qū)域增加。這些研究結果將會對波導陣列中孤子的研究有指導意義。
　　第四，我們?yōu)樨撜凵涑２牧瞎飧顸c引入縱向周期性的調制，探究負折射和

9、周期性調制共同作用下光格點的光學特性。研究發(fā)現(xiàn)，一維雙周期負折射光格點的負折射抵消了縱向反相位調制深度對衍射的影響，使相同結構傳統(tǒng)材料光格點的衍射曲線上的衍射平臺消失。在能產生調制不穩(wěn)定性的縱向調制深度的范圍內，入射功率的高低對增益的影響大不相同。低功率入射時，格點波矢對增益基本沒有影響，而且耦合系數(shù)和非線性系數(shù)對增益的影響在相同的微擾范圍內相反。這有利于孤子的產生，實驗上也容易操作。但是高功率入射時，格點波矢對增益譜的影響增大，而且能