古斯—漢欣位移和超短光脈沖的棱鏡波導(dǎo)耦合研究.pdf

1、平板光波導(dǎo)是導(dǎo)波光學(xué)和集成光電子學(xué)中最基本的光學(xué)元件，其導(dǎo)模模場(chǎng)可以用嚴(yán)格的麥克斯韋電磁理論來求解，也可由簡(jiǎn)單而又直觀的線光學(xué)模型來描述。本文中，我們以平板光波導(dǎo)的線光學(xué)模型和電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ)，主要研究以下兩個(gè)問題。 一、全反射中是否存在如法國(guó)科學(xué)家Turnois所提出的因果律佯謬以及由此引起的古斯一漢欣時(shí)間是否存在。目前存在兩種截然不同的觀點(diǎn)：一種是全反射的總時(shí)間延遲應(yīng)包含古斯一漢欣時(shí)間，并且始終遵守相對(duì)論中的因果律；另一種是

2、全反射中的總時(shí)間延遲不包含古斯一漢欣時(shí)間，存在著違反相對(duì)論的因果律佯謬。我們首先從平板波導(dǎo)的線光學(xué)模型和電磁場(chǎng)理論入手，證明在全反射中只有包含古斯一漢欣時(shí)間，平板波導(dǎo)的線光學(xué)模型才和電磁場(chǎng)理論完全自洽，這樣就間接證明了古斯一漢欣時(shí)間的存在，同時(shí)也解決了Gires-Toumois干涉儀中的因果律佯謬問題。其次，關(guān)于TM偏振光在負(fù)介電常數(shù)介質(zhì)的界面上全反射時(shí)出現(xiàn)的因果律佯謬，我們提出，由于光線的實(shí)際反射點(diǎn)并不是在兩介質(zhì)的分界面上，而是處于分

3、界面的前方?？紤]到這一點(diǎn)，我們修改了古斯一漢欣時(shí)間的表達(dá)式，修改后的古斯一漢欣時(shí)間始終是正的。因此，這類全反射也不存在因果律佯謬。第三，對(duì)于在理想無(wú)吸收等離子鏡面上的全反射，我們利用平板波導(dǎo)證明了全反射的總時(shí)間延遲恰好是群延遲時(shí)間和古斯一漢欣時(shí)間之和。同時(shí)，考慮到光線的實(shí)際反射點(diǎn)，TM偏振光入射時(shí)仍然滿足因果律。第四，我們從平板波導(dǎo)中導(dǎo)模的群速出發(fā)，得到了古斯一漢欣時(shí)間的一般表達(dá)式。并且證明了在任何情況下，全反射的總時(shí)間延遲始終為群延遲

4、時(shí)間和古斯一漢欣時(shí)間之和。因此，全反射始終遵守相對(duì)論中的因果律。二、研究了超短光脈沖的棱鏡波導(dǎo)耦合問題，提出入射光的相干時(shí)間將影響棱鏡波導(dǎo)耦合系統(tǒng)的反射率。通過引入自相關(guān)函數(shù)來描述入射光的相干性，我們得到了適用于超短脈沖和其他部分相干光的反射率公式。在新公式中，出現(xiàn)了相干損耗，這是由入射光有限的相干時(shí)間引起的。我們以飛秒脈沖為例，討論了相干時(shí)間和導(dǎo)模階數(shù)對(duì)棱鏡波導(dǎo)耦合的影響，最后，用實(shí)驗(yàn)證明了理論的正確性。以脈沖光的棱鏡波導(dǎo)耦合理論為基