非线性光子晶体中二次谐波产生增强效应的机理

利用光子晶体的特性提高二次谐波的转换效率，通常采取将基频光和倍频光同时对准光子晶体带边频率的某个共振态。但同时将基频光和倍频光对准带边频率这个要求非常苛刻，给实际操作带来很大困难，且不易实现多波长的频率转换。本申请创新性的提出通过独立调控线性和非线性光学系数以提高二次谐波的输出。具体方式是先将基频光对准带边频率的共振态，进一步利用模拟退火方法调整非线性光学系数，找到最大的二次谐波输出。该方法可实现多波长的向前以及向后传播的二次谐波的可调制输出，且对比传统方法更具有实际可操作性。考虑到传统的准相位匹配条件只有在一些近似条件下才能适用，而在一维非线性光子晶体中，由于线性光学系数的周期调制，光波的传播特性发生很大变化。因此，准相位匹配条件需重新修正。我们将主要研究该体系下的准相位匹配条件，以及影响二次谐波转换效率提高的各种因素。这些结论将为提高谐波转换效率提供理论指导。

该项目属于应用基础研究，主要研究了以下几方面的内容:.（1）未采用泵浦损耗近似下,准相位匹配条件的研究: 相比于小信号近似，超晶格厚度有微小的变化，二次谐波转换效率却有重大的调制。本文给出了单个畴对二次谐波转换效率贡献的经验公式,以及定义了一个相对误差函数来描述采用以及未采用近似情形下的转换效率关系..（2）研究了基频场的调制对二次谐波场的影响：在一维以及二维非线性光子晶体体系中，探讨了非平面波近似,非缓变振幅近似对二次谐波以及准相位匹配条件的影响。发现未考虑这两种近似下，二次谐波转换效率呈现很大不同，且由于基频场的调制，相位匹配,准相位匹配与传统图不完全一致。. (3) 多波长二次谐波产生的研究:通过独立调整线性和非线性光学系数来提高二次谐波的输出。通过调整线性光学系数，使得基波频率处于光子晶体缺陷模的位置或者光子晶体的带边位置。再进一步调整非线性光学系数，找到最大的二次谐波输出。通过调制非线性光学系数，可以对向前以及向后的二次谐波输出实现自由调控。. (4) 利用共轭梯度算法，设计了无序的超晶格结构。传统的模拟退火算法假设每块畴的厚度一定，通过调制畴的极化方向来得到最大的转化效率。这其实形成一些极化方向相反，每一层厚度为该定值整数倍的非周期超晶格结构。共轭梯度算法则认为相邻畴的极化方向是相反的，而每块畴的厚度作为变量，这样，得到的畴构造将会更好的实现最完美的准相位匹配。该方法可以有效地用于超晶格结构的设计，且可得到更高的转换效率，并易实现较宽带宽的二次谐波产生。..我们的研究结果可根据需求灵活地设计非线性材料的结构，为提高谐波转换效率提供理论指导；多波长的二次谐波产生则可在一块晶体中就能实现多个波长的频率转换，这在激光显彩技术上具有重要的应用价值，可以大大简化光学系统的体积及操作难度，减小相应的光学损耗；传统准相位匹配采用三种近似情形下得到的，当这些近似不成立的时候，准相位匹配条件有什么变化？二次谐波转换效率的规律是什么？我们的研究工作回答了这些问题，这对非线性材料构造的设置提供理论指导。..该项目实施过程中发表了七篇较高水平的学术论文，其中5篇SCI收录，2篇EI收录。还有两篇文章已投稿.该项目的开展以及得到的一些结果,可有很多后续的工作值得进一步研究且对今后的实验研究也具有很好的实际指导意义.