人工共振吸收介質(zhì)中的超快動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、光子晶體人工材料以及負(fù)折射率人工異向介質(zhì)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的兩種新型光子學(xué)材料，本論文的主要內(nèi)容是對(duì)超短激光脈沖與共振吸收(放大)光子晶體以及與共振吸收異向介質(zhì)相互作用進(jìn)行理論研究。
　　 異向介質(zhì)是最近十年才發(fā)展起來(lái)的一種新型光子學(xué)材料。盡管異向介質(zhì)具有誘人的前景，但是關(guān)于異向介質(zhì)中負(fù)折射的存在和完美透鏡的實(shí)現(xiàn)等基本問(wèn)題都招來(lái)了諸多非議，而有些反對(duì)意見(jiàn)(比如異向介質(zhì)中正折射的出現(xiàn)、固有損耗的影響)并沒(méi)有引起足夠的重視，也沒(méi)有得到

2、完滿的回答。為了回答這些基本問(wèn)題，本論文的第一部分研究了超短激光脈沖在共振吸收異向介質(zhì)中的傳播動(dòng)力學(xué)機(jī)制，并取得了一些新的研究結(jié)果。主要體現(xiàn)在：
　　 (1)從理論上預(yù)言了一類(lèi)新型的后向波孤子——一種已經(jīng)被科學(xué)家探究了上百年的效應(yīng)——一種在稀疏摻雜二能級(jí)的共振吸收異向介質(zhì)中能夠穩(wěn)定后向傳播的、并保持左手特性的自感應(yīng)透明孤子。其蘊(yùn)含的新物理在于二能級(jí)和異向介質(zhì)與光場(chǎng)的強(qiáng)耦合作用。這一耦合允許在損耗和色散影響之前的非線性、可逆的能量

3、轉(zhuǎn)換和同步性。我們發(fā)現(xiàn)2π面積的超短激光脈沖可以演化為自感應(yīng)透明類(lèi)孤子，因此這樣克服了異向介質(zhì)中的固有損耗和色散而同時(shí)卻仍然保持左手特性。這些結(jié)果有望在實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。同時(shí)，異向介質(zhì)特性與自感應(yīng)透明的嶄新結(jié)合有望推動(dòng)無(wú)損耗、無(wú)色散的異向介質(zhì)特性研究。
　　 (2)回答了異向介質(zhì)中存在正折射的原因和負(fù)折射現(xiàn)象出現(xiàn)的條件。這是異向介質(zhì)系統(tǒng)中尤其重要的問(wèn)題，因?yàn)榕c負(fù)折射和完美透鏡可能性相關(guān)的物理機(jī)制是近年來(lái)受到激烈爭(zhēng)議的研究課題。然而

4、，遠(yuǎn)非顯而易見(jiàn)的是，我們的分析表明能流方向并非與負(fù)折射率同步響應(yīng)，當(dāng)考慮與極化強(qiáng)度累積(響應(yīng))相關(guān)的損耗取合適值時(shí)，相位面和能量面都將發(fā)生負(fù)折射。這一發(fā)現(xiàn)與最近Stockman[Phys.Rev.Lett.98，177404(2007)]提出的關(guān)于負(fù)折射的理論相當(dāng)吻合。
　　 (3)預(yù)言了共振非線性克爾異向介質(zhì)中自感應(yīng)透明光學(xué)呼吸子存在的條件。盡管在克爾介質(zhì)中不存在自感應(yīng)透明光學(xué)呼吸子是一個(gè)尚未解決的難題，然而我們發(fā)現(xiàn)在共振吸收

5、克爾異向介質(zhì)中，當(dāng)脈沖激發(fā)條件合適時(shí)，不僅能夠形成移動(dòng)的自感應(yīng)透明光學(xué)呼吸子，而且可以形成靜止的光學(xué)呼吸子。同時(shí)，即使有較小的噪音干擾，也不會(huì)影響光學(xué)呼吸子的穩(wěn)定性。
　　 光子晶體結(jié)構(gòu)是由不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空間周期性排列而成的。光子晶體最主要的特征就是具有光子帶隙，頻率落在帶隙中的光是被禁止傳播的。由于光子帶隙的存在，光子晶體在控制光的傳播尤其是在抑制光的自發(fā)輻射方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，利用光子晶體實(shí)現(xiàn)超短激光脈沖的

6、產(chǎn)生和操控技術(shù)在科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域都起著日益重要的作用，其應(yīng)用范圍涉及到高速光通信、光學(xué)計(jì)算以及超快信息處理。為此，本論文的第二部分對(duì)共振吸收(放大)光子晶體中超短激光脈沖的相干操控作了深入的研究，取得了一些有意義的結(jié)果。主要包括：
　　 (1)提出一類(lèi)新型的激光器芯片結(jié)構(gòu)——周期性放大Bragg結(jié)構(gòu)中相干孤立波串的自脈沖機(jī)制。值得一提的是，從我們的數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)，以半導(dǎo)體量子阱作為激光器芯片結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生重復(fù)率高達(dá)90.1 GH

7、z、半高全寬為1.84ps的孤立波串。通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，所產(chǎn)生的孤立波的群速度和能量速度都表現(xiàn)出了超光速行為。相反，我們發(fā)現(xiàn)均勻摻雜增益介質(zhì)中也可以產(chǎn)生超短脈沖，只是由于存在固有不穩(wěn)定性而容易變得混亂。
　　 (2)發(fā)展了一種描述二能級(jí)量子自旋系統(tǒng)的普適性定理。盡管在極化二能級(jí)系統(tǒng)中慢變振幅近似失效是一個(gè)公開(kāi)的難題。我們發(fā)現(xiàn)在二能級(jí)系統(tǒng)中引入符號(hào)函數(shù)后，通常的慢變振幅近似也得到了修正。與之相反，我們發(fā)現(xiàn)為避免通常慢變振