準(zhǔn)相位匹配二階非線性聯(lián)合效應(yīng)統(tǒng)一理論及應(yīng)用.pdf

1、電光效應(yīng)、倍頻和參量下轉(zhuǎn)換是我們熟悉的二階非線性光學(xué)效應(yīng)，它們單獨(dú)的理論和實(shí)驗(yàn)研究都已經(jīng)比較完善，但它們的聯(lián)合耦合效應(yīng)理論此前還沒有人建立過，主要原因有以下三點(diǎn)： 1.原有的折射率橢球理論無法解決這樣復(fù)雜的聯(lián)合效應(yīng)。 2.對單疇晶體，傳統(tǒng)的臨界相位匹配和溫度相位匹配方法無法同時補(bǔ)償兩個或多個相位失配量。 3.雖然已有準(zhǔn)相位方法，但人們習(xí)慣于將頻率轉(zhuǎn)換和電光效應(yīng)視為相互獨(dú)立的，而未將其看成是平等的二階非線性光學(xué)效應(yīng)

2、，所以未能將準(zhǔn)相位方法同時應(yīng)用于這兩類二階非線性光學(xué)效應(yīng)。 注意到過去理論的缺陷和應(yīng)用極限，本文將線性電光效應(yīng)，倍頻效應(yīng)和參量下轉(zhuǎn)換效應(yīng)看成是平等的二階非線性光學(xué)效應(yīng)，然后根據(jù)光學(xué)超晶格中二階極化強(qiáng)度分布的特點(diǎn)，在線性電光效應(yīng)耦合波理論和二階非線性光學(xué)變頻效應(yīng)耦合波理論的基礎(chǔ)上，發(fā)展了光學(xué)超晶格中線性電光效應(yīng)—二階非線性光學(xué)變頻效應(yīng)的統(tǒng)一耦合波理論。作為這一統(tǒng)一耦合波理論的新應(yīng)用，本文又進(jìn)一步提出新的高通量糾纏光子源和光學(xué)三極管

3、工作原理。本論文主要工作包括如下幾點(diǎn)： 1)對已有的線性電光效應(yīng)理論(非耦合波理論)進(jìn)行評述，指出其缺陷和應(yīng)用極限，說明、介紹線性電光效應(yīng)耦合波理論的優(yōu)點(diǎn)和它的最新發(fā)展及應(yīng)用。 2)提出二倍頻、參量下轉(zhuǎn)換和電光效應(yīng)統(tǒng)一耦合波理論。光學(xué)變頻過程(包括和頻、差頻和倍頻等)和電光效應(yīng)的研究成果已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代光通信及光器件開關(guān)領(lǐng)域，人們已經(jīng)習(xí)慣于將它們孤立對待處理，理論上缺乏統(tǒng)一性。周期性極化和準(zhǔn)周期性極化光學(xué)超晶格是近年非線

4、性光學(xué)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一，但這種光學(xué)超晶格中的光學(xué)變頻過程和電光效應(yīng)過去也沒有統(tǒng)一的理論。我們注意到光學(xué)和頻，差頻，倍頻和電光效應(yīng)在物理上具有統(tǒng)一性，都屬于二階非線性光學(xué)過程，于是將光學(xué)超晶格中的線性電光效應(yīng)耦合波理論進(jìn)一步推廣，使之能夠同時描寫電光效應(yīng)和其他二階參量過程。由此推廣理論，我們能有選擇地用光學(xué)超晶格所提供的倒格矢補(bǔ)償多個相位失配量。 3)給出了統(tǒng)一耦合波理論的兩種新的重要應(yīng)用。在量子信息領(lǐng)域，高通量糾纏光子源是很重要

5、的前沿研究熱點(diǎn)。根據(jù)統(tǒng)一耦合波理論，我們提出了基于混合結(jié)構(gòu)(包括一部分周期極化和另一部分準(zhǔn)周期極化)鈮酸鋰光學(xué)超晶格的全新高通量糾纏光子源。其工作原理過程是：在混合結(jié)構(gòu)光學(xué)超晶格第一部分首先產(chǎn)生二倍頻，在第二部分通過外加電場控制啟動參量下轉(zhuǎn)換過程，使得幾乎所有的二倍頻光子都重新轉(zhuǎn)換為一系列基頻光子對。根據(jù)統(tǒng)一耦合波理論，提出了新型光學(xué)三極管工作原理。整個光學(xué)三極管包括兩部分：第一部分為周期極化鈮酸鋰，第二部分為準(zhǔn)周期極化鈮酸鋰。在第一部