基于光折变表面波的切趾啁啾波导阵列研究

Photorefractive surface waves (PR SWs) can propagate along the surface of a nonlinear medium without diffraction and induce an optical waveguide arrays in the near surface of the Photorefractive crystal (PRC). The field distributions of PR SWs are characterized by the oscillating decayed structure from surface to bulk of PRCs. Our research group suggests the photorefractive surface optical waveguide arrays for the first time and finds serials of interesting phenomena: the dispersion curves of index-guided modes and Bragg-guided modes couple and intertwine with each other, and generate complicated mini-gaps; there exists a type of extraordinary modes constituted by the splice of index-guided modes and Bragg-guided modes; the waveguide arrays can be conveniently adjusted by external electric field and background illumination. These research works have published in Optics express (published) and Physical review A (revised). This research will systematically study the guided-wave properties, dispersion relations, band structure and structure regulation of such waveguide arrays from theory to experiment; and develop the design and application of optical filter, switch and harmonic generation device. This research has not been reported both in China and abroad, we take the lead to carry out this research and have the confidence to keep the forefront in the international. The achievement of this project can be applied in guide-wave optics and integrated optics, and develop a new area where the nonlinear optics is applied in guide-wave optics.

光折变非线性表面波可沿光折变非线性介质近表面无衍射传播，同时可在光折变晶体近表面区域写入光波导阵列。其光场从介质表面到体内呈震荡衰减分布，相应写入的波导具有切趾及啁啾结构。本课题组首次提出光折变非线性表面光波导阵列并发现了一系列有趣现象：折射率导模和布拉格导模色散曲线相互耦合、缠绕，并产生复杂的精细带隙结构；出现由折射率导模和布拉格导模拼接而成的奇异模；波导阵列结构可由外电场和背景光调控。以上工作已发表在Optics express（已发），Physical review A（revised）。本课题将从理论和实验上系统研究该波导阵列的导波特性、色散关系、能带结构以及结构调控；在此基础上开展滤波、光开关、谐波发生器等设计和应用。此方面的研究国内外尚未见文献报道，我们率先开展了此方面工作，有信心走在国际前列。项目成果能够应用于导波光学和集成光学领域，开辟非线性光学应用于导波光学的一个新方向。

近年来，波导阵列在光束非线性传播、俘陷、转换及操纵等方面有着重要应用，为光子离散行为研究以及量子现象模拟提供了巨大平台。因此，波导阵列的制备及其导波特性研究成为热点。与传统波导阵列制备方法相比，光诱导法具有快速、实时、简易、成本低等众多优点。由于可擦洗、非瞬时相应和光敏等特性，光折变材料被广泛用于光诱导制备波导阵列。.光折变表面波可沿光折变晶体表面无衍射传播，将光束能量约束在光折变介质近表面狭层空间。当光束沿光折变晶体中传播时会写入波导结构，然而关于光折变表面波诱导波导阵列的研究尚属空白，本对表面光学现象调控和集成光学元件设计具有重要意义。本项目围绕光折变表面波诱导波导阵列进行了系统研究：.（1）提出了扩散机制下光折变表面波诱导的新型波导——光折变表面切趾波导阵列，折射率变化分布表现为被切趾的周期性波导阵列；并且采用转移矩阵法分析了该波导阵列色散关系和相应模式。有趣的是折射率导模和布拉格导模色散曲线相互耦合、缠绕，反交叉代替交叉并产生微小带隙；出现由折射率导模和布拉格导模拼接而成的奇异模。.（2）提出了扩散漂移机制下光折变表面啁啾波导阵列，其切趾尾部的折射率变化收敛于可由外电场调节的非零值；有趣的是折射率导模色散曲线可被外电场剪裁，有助于控制模式激发；寻常和异常的布拉格导模相互耦合、缠绕和反交叉，提供了更加丰富的反交叉；反交叉位置附近模式随色散曲线演化存在明显的耦合和竞争。.（3）研究了背景光、外电场以及写入光对光折变表面波诱导切趾啁啾波导阵列的调控。随着写入光强增大，切趾波导阵列折射率导模模式带出现退简并或分裂最终趋于饱和的现象；写入光波长和掠射角可以有效调节切趾波导阵列周期大小；在写入光掠射角较大时，出现了有趣的啁啾现象，其初始位置可通过写入光强度与掠射角及背景光等调节，最大幅度及正负可由写入光掠射角、波长及外电场调节。