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)起即改變了人們對于光學(xué)材料的一貫認(rèn)識。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)，至對物體的成功隱身，超材料不斷地給人們帶來驚喜，并為人們提供了優(yōu)越的材料平臺，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)生使光場能量局域于亞波長的空間尺度內(nèi)，提高電磁能量密度，增強(qiáng)電磁場與物質(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能量的空間局域性對于非對稱裂環(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增強(qiáng)理論對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)吸收過程具有100 fs量級的響應(yīng)速度，為此強(qiáng)非線性超穎材料在實(shí)現(xiàn)未來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)系著自旋角動量這一光子的基本物理性質(zhì)參數(shù)，更由于對光波偏振態(tài)的控制在未來量子通信系統(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LiIO3晶體的3000萬倍。該結(jié)果為將來實(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)了人們在實(shí)現(xiàn)光子自旋角動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，即物質(zhì)發(fā)光時(shí)所顯現(xiàn)的顏色，由材料自身能級結(jié)構(gòu)決定。80年代，半導(dǎo)體超晶格的出現(xiàn)開啟了能帶工程的序幕，為人們