超穎材料非線性光學(xué)效應(yīng)及其應(yīng)用.pdf

1、超穎材料(或超材料)，本世紀(jì)新出現(xiàn)的人工材料，其設(shè)計(jì)理念不同于以往任何人造材料，自其出現(xiàn)起即改變了人們對(duì)于光學(xué)材料的一貫認(rèn)識(shí)。不同于其他任何材料，電磁能量在超材料中與電子相耦合并以等離子體激元的形式存在，這種特殊元激發(fā)的出現(xiàn)決定了超材料必將表現(xiàn)出同一般介質(zhì)不同的光學(xué)性質(zhì)。始于2000年前后負(fù)折射率材料的實(shí)現(xiàn)，至對(duì)物體的成功隱身，超材料不斷地給人們帶來(lái)驚喜，并為人們提供了優(yōu)越的材料平臺(tái)，使人們得以按照需求設(shè)計(jì)并得到一系列天然物質(zhì)所不具有的

2、性質(zhì)，逐漸擺脫“萬(wàn)物天成”的傳統(tǒng)觀念。超材料表面等離子體激元的產(chǎn)生使光場(chǎng)能量局域于亞波長(zhǎng)的空間尺度內(nèi)，提高電磁能量密度，增強(qiáng)電磁場(chǎng)與物質(zhì)間的相互作用，進(jìn)而可縮短光與物質(zhì)相互作用所需的距離，利于實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件的小型化、集成化。
　　 本論文中將介紹表面等離子體電磁場(chǎng)能量的空間局域性對(duì)于非對(duì)稱裂環(huán)超穎材料三階非線性吸收效應(yīng)的增強(qiáng)作用。在厚度僅為50 nm的尺度內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較低峰值光強(qiáng)(2.3 GW/cm2)飛秒光激勵(lì)下40％的透射率調(diào)制度

3、，并使用有效非線性局域場(chǎng)增強(qiáng)理論對(duì)該超穎材料的非線性性質(zhì)進(jìn)行定量解釋。同時(shí)使用泵浦探測(cè)技術(shù)于實(shí)驗(yàn)上分析其時(shí)域響應(yīng)特性，其雙光子瞬態(tài)吸收過(guò)程具有100 fs量級(jí)的響應(yīng)速度，為此強(qiáng)非線性超穎材料在實(shí)現(xiàn)未來(lái)弱光納米尺度太赫茲帶寬信息調(diào)制中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。
　　 本論文中還將初步討論該非線性超穎材料在實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)、光限制、激光鎖模方面的應(yīng)用。
　　 在此基礎(chǔ)上，于第三章中，將介紹該超穎材料的巨非線性外手性旋光效應(yīng)。光波的諸多物理

4、參數(shù)中，偏振一直受到人們的廣泛關(guān)注。不僅因?yàn)槠渲苯勇?lián)系著自旋角動(dòng)量這一光子的基本物理性質(zhì)參數(shù)，更由于對(duì)光波偏振態(tài)的控制在未來(lái)量子通信系統(tǒng)中具有極其重要的意義。1979年，Akhmanov于碘酸鋰晶體(LiIO3)中成功觀察到了非線性旋光效應(yīng)，然而其非線性旋光率甚小(～10-11°·cm/W)，限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用。結(jié)合非對(duì)稱裂環(huán)超穎材料的外手性旋光效應(yīng)及其優(yōu)良的非線性性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了巨非線性旋光效應(yīng)，在2 GW/cm2的峰值光強(qiáng)下實(shí)現(xiàn)了光

5、波偏振面大于1°的可觀變化，非線性旋光率達(dá)到3×10-4°·cm/W，為L(zhǎng)iIO3晶體的3000萬(wàn)倍。該結(jié)果為將來(lái)實(shí)現(xiàn)光波偏振態(tài)的非線性調(diào)控，偏振態(tài)相關(guān)的開(kāi)關(guān)控制，以及量子通信相關(guān)的研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，彌補(bǔ)了人們?cè)趯?shí)現(xiàn)光子自旋角動(dòng)量非線性控制方面的空白。
　　 超穎材料的熒光性質(zhì)將在第四章中進(jìn)行研究。傳統(tǒng)上，物質(zhì)的發(fā)光波長(zhǎng)，即物質(zhì)發(fā)光時(shí)所顯現(xiàn)的顏色，由材料自身能級(jí)結(jié)構(gòu)決定。80年代，半導(dǎo)體超晶格的出現(xiàn)開(kāi)啟了能帶工程的序幕，為人們