强色散光子晶体材料研究

脉冲压缩光栅的小口径和低损伤阈值是限制我国高功率激光系统输出能力的主要瓶颈。光子晶体的损伤阈值高、色散参数可调且口径容易做大，从而具备突破该瓶颈的潜力。本申请项目首先建立光子晶体色散参数与光子晶体结构的定量关系，揭示光子晶体色散参数的调控规律；其次优化设计并制备在1μm波段色散参数大于100ps/nm/cm的光子晶体，实验验证其展宽和压缩啁啾脉冲的能力；最后从损伤阈值、脉冲压缩过程中的非线性效应以及脉冲压缩因子的调节等方面，实验研究强色散光子晶体在超高功率激光系统中的应用。研究结果将建立起强色散光子晶体设计和制备的系统方法，为光通信中的色散管理及高功率激光系统中的脉冲压缩和展宽提供新器件。

强色散光子晶体材料研究是一项材料微观结构设计、性能分析、器件制备及测试的系统工程。经过三年的探索研究，项目组建立起系统的光子晶体色散特性理论分析方法并总结出强色散光子晶体的基本设计规律。在建立光子晶体色散参数计算方法的过程中，我们首次提出利用等效电磁参数来描述周期性微结构的厚度条件。在强色散光子晶体压缩啁啾脉冲的仿真计算中，我们发现常规纯介质及含金属强色散光子晶体都普遍存在透射谱调制的问题——这对于宽带器件而言可能产生非常严重的后果。有趣的是，这启发我们从时空滤波的角度对光子颤动提出了基于经典物理的理解方式。此外，掺杂增益介质，利用增益来重建脉冲频谱有可能解决宽带信号频谱调制的问题，这也是我们在该项目结束后将要开展的研究工作之一。. 在强色散光子晶体中的非线性效应研究方面，项目组首次提出了一种可以提取光子晶体等效非线性折射率系数的方法。该方法将打开光子晶体三阶非线性效应研究的大门，为基于光子晶体的三阶非线性效应调控提供理论依据。更为重要地是，项目组在强色散各向同性光子晶体中首次实现了基于等效物质参数的自散焦效应，这将为如何实现人工微结构器件在高功率激光系统中的自我保护提供设计依据。. 光波段光子晶体的制备是强色散光子晶体走向应用必须要解决的问题。从现阶段技术发展看来，纳米压印技术是制备高品质大面积光波段光子晶体非常有前景的方法之一。然而，光子晶体的厚度最终决定了其色散补偿能力，要最终实现较大的啁啾脉冲压缩量，毫米甚至厘米级厚度的强色散光子晶体是需要的——制备数毫米厚的单块光子晶体不是一件容易的事。因此，利用多片强色散光子晶体级联增强中色散补偿能力是可行技术方案之一。. 此外，考虑到透射频谱调制对宽带信号的影响以及光波段光子晶体厚度的限制，项目组还创新性地提出基于光子晶体全反射的新型位相调控器件。利用光子晶体全反射特性，不仅可以避开透射型器件频谱调制问题，而且不需要增加厚度来增强调控能力——样品制备相对容易且总色散量可以通过反射次数来控制。. 总而言之，将光子晶体应用于高功率激光系统实现啁啾脉冲压缩任重而道远，还有待于进一步深入研究。