[發明專利]一種非線性效應放大和探測電子超快過程的方法

有效

• 申請號: 201811539628.3
• 申請日: 2018-12-17
• 公開（公告）號: CN109782508B
• 公開（公告）日: 2022-01-28
• 發明（設計）人: 蔣尋涯;竇宇身;汝廣喆;李裘粹
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G02F1/35
• 分類號: G02F1/35;G02F1/355
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于光子晶體非線性調制技術領域，具體為一種非線性效應放大和探測電子超快過程的方法。本發明方法包括：選定包含非線性材料的光子晶體系統，選取某個低透射率的頻率，選取超短的泵浦和信號脈沖，泵浦脈沖時間長度明顯小于信號脈沖在光子晶體中的駐留時間，通過控制泵浦脈沖在某些特定時間到達，從而放大非線性調制效應，并且可以觀察非線性材料內部電子超快過程。本發明方法所產生的透射率顯著變化是一種新“動態調制機制”造成的；只有在特定時間進行泵浦，該相位會破壞透射場一階脈沖與高階脈沖之間的“相干相消”，從而導致透射率大幅上升。本發明方法都具有普適性，對材料參數、光子晶體或多散射體系統的組成、結構參數等并不敏感。

技術領域

本發明屬于光子晶體非線性調制技術領域，具體涉及光子晶體或多散射體系統中放大非線性效應和探測電子內部超快過程的方法。

背景技術

光子晶體是一種介電常數周期性變化的、具有豐富的色散效應和光子帶隙的人工制造的新型光子學材料，其特性是具有光子能帶和光子帶隙。當單頻入射光頻率落在光子帶隙內時，光無法通過無限大光子晶體，但是，對于有限大小的光子晶體，即使單頻入射光頻率在光子帶隙中，仍然會有一定的透射率。一般來說，如果光子晶體厚度很薄，透射率就會較高，而隨著光子晶體厚度增加，透射率會快速減小。該透射率隨厚度減小的原因是由于布拉格散射造成的，確切地說，首先，布拉格散射造成原始入射波被散射到各個方向逐漸減少，但這并不是主要原因，核心原因是多次布拉格散射的散射波會與原始入射波形成“相干相消”效應，使得“總的前向傳播波”大幅減弱，從而透射率大幅下降（同時，在后向，散射波會“相干相加”，造成反射率會越來越強）。目前，光子晶體與非線性效應相互作用的研究熱點方向之一，普遍是基于泵浦光作用于非線性材料構成的光子晶體產生非線性效應，來實現某些特定頻率透射率的變化，從而可以作為各種器件（開關、邏輯門等等）來應用。目前，不論是脈沖泵浦或持續光泵浦，“光子能帶和帶隙漂移”機制是廣泛認可的機制，該機制的核心思想是，由于泵浦光提前改變了光子晶體的介電常數或磁導率，光子晶體保持這種狀態，造成光子能帶和帶隙持續的漂移，從而造成入射光的透射率（反射率）出現明顯變化。但是，當泵浦脈沖的時間明顯短于信號脈沖在光子晶體中的駐留時間時，上述機制明顯是自相矛盾的，因為泵浦脈沖只在極短的時間（相對信號脈沖的駐留時間）內改變了光子晶體性質，根本不能認為“光子晶體能帶和帶隙持續的漂移了”，實際上，還有很多現象都與“光子晶體能帶和帶隙漂移”思想相互矛盾。

這里就有一個重要的非線性調制新機制問題，該新機制與傳統的“靜態的能帶漂移后，再被信號光感受到”的思想完全不同，是一種動態調制的機制。實際上，光子晶體只是多散射體系統的一個特例，各種復雜或簡單的多散射體系統，復雜系統例如是準晶或無序系統，簡單的如單純的法布里-珀羅腔（F-P腔），都可以進行類似的非線性動態調制。如果能夠通過對該新機制的揭示和利用，就可以大大提高人們對光子晶體或其他多散射體系統和非線性動態調制的深入理解。人們就可以根據該新機制進行準確的非線性調控，并可以基于該新機制得到“非線性效應放大”和“對材料內部電子過程進行觀察”的新方法。更進一步，可以基于該新機制進行多種器件設計，例如非線性開關、邏輯器件、記憶元件、連續頻譜強度調制和電子飛秒/阿秒超快過程的檢測等等，從而產生廣泛的實用價值。

發明內容

本發明的目的在于設計一種基于超快非線性動態調制過程的非線性效應放大和探測電子超快過程的新方法。

本發明提供的非線性效應放大和探測電子超快過程的方法，具體步驟如下：

步驟1、初步選定包含非線性材料的光子晶體系統或多散射體系統（即多個散射體組成的其它系統）。引入相對強度弱的超短信號脈沖和相對強度很強的超短泵浦脈沖，兩者強度相差至少一個量級，泵浦脈沖時間長度要求明顯小于信號脈沖在光子晶體或多散射體系統中的駐留時間，一般來說，信號脈沖與泵浦脈沖的時間長度為脈沖中心頻率對應周期的1.5-2.5倍（優選2倍）。兩個脈沖沿不同路徑到達光子晶體或多散射體系統。超短泵浦脈沖是用于激發材料的非線性，即在某段時間內改變材料介電常數或磁導率；