辐射形极化光学超晶格非线性光学性质研究

光学超晶格利用非线性系数的周期性调制来补偿入射波与参量波之间的相位失配，使得各种非线性光学过程能够"准相位匹配"。近年来周期、准周期和环形极化等二维光学超晶格即非线性光子晶体因其所蕴涵的丰富的物理内容和在激光频率转换、实现光放大等各种光学过程中的重要应用而倍受科研人员的关注。本项目拟将准相位匹配研究扩展至辐射状极化的光学超晶格，其具有X向和Y向周期连续变化及倒格矢连续分布的特点，为上述研究方案的实施提供一种新的优异的方法。本项目重点通过对其横向非线性参量过程的研究，探讨所产生的空心环状光束能够实现原子操控的可能性；研究激光纵向入射情况下参量上转换过程和参量下转换再级联上转换过程，以产生宽频输出的可见光并获得高效的准白光输出；利用三波耦合波方程得到上述非共线方程的解，并进行数值模拟；研究其中的光参量产生、差频、光放大等过程以及级联过程，讨论不同极化周期和不同的非共线情况对带宽的影响。

项目结题摘要如下所述：.近年来超级非线性光子晶体的研究引起了人们广泛的兴趣。超级非线性光子晶体是相对于传统的二维对称结构的光子晶体来说的，后者具有布拉法格子结构。超级非线性光子晶体的结构为环状和辐射状等。.随着激光技术的飞速发展和激光应用领域的拓展，具有特殊光强分布的激光束应用越来越广泛，例如利用光学全息和中空光纤等方法产生的锥状光束可用于对原子和生物分子等的囚禁与操控、原子印刷和原子干涉测量等。研究发现当飞秒激光沿着晶体光轴入射到非线性光子晶体上时，将会产生非线性布拉格衍射和契伦克夫辐射，形成环状空心圆环。我们在非线性光子晶体的制备、性能表征、产生锥状光束的机理及应用等方面开展了一系列研究，并取得了有意义的成果。.当单一波长的基波光沿着辐射状极化的非线性光子晶体c轴入射时，可在观察屏上观察到单一锥状圆环或者同时出现两个或三个锥状圆环，它们分别对应着基波光的契伦科夫二倍频辐射和级联和频辐射。当两束不同波长基波光同时入射到非线性光子晶体上时，可同时观察到多个不同颜色、不同半径的同圆心锥状光束。这些锥状光束由两个基波光的级联和频契伦科夫辐射产生，并且对应着两种不同的相位匹配方式，这两种不同的相位匹配方式具有不同的锥状圆环光束锥角，实验证明它们分别对应不同的级联二阶非线性契伦科夫辐射相位匹配方式。这些锥状光束可以在非常宽的入射基波光频率范围内调谐。契伦科夫辐射的出射角度强烈依赖于基波光波长。实验结果与理论计算结果很完美地相匹配。.使用光学衍射的方法可以定量化地研究二维六角形极化的钽酸锂光学超晶格的微结构。我们提出了一种可以确定光学超晶格的重要参数如周期、占空比和光学平整度等的衍射模型。这些参数对非线性光子晶体的性能影响非常大。模型计算结果与实验直接测量数值较好地符合。结果表明这是一种简便、无损和定量化地探测二维周期性极化的光学超晶格的方法。.我们还研究了无机盐纳米线、纳米盘和纳米多级结构的基于纳米颗粒自组织生长的晶体生长机制，实验上直接证实了这种晶体生长模式的存在。