Identification and separation of local and nonlocal optical nonlinear refraction effects: theory and experiment

Understanding the nonlinear optical effect of novel materials plays a crucial role in the fields of photonics and optoelectronics. Herein, we theoretically and experimentally investigate the simultaneous presence of third-order locally refractive nonlinearity and thermally induced nonlocal nonlinearity saturation. We present analytical expressions for the closed-aperture Z-scan trace and the number of spatial self-phase modulation(SSPM) rings,which allows one to unambiguously and conveniently separate the contributions of local and nonlocal nonlinear refraction in the case that both effects occur simultaneously. As a test, we study both the local and thermally induced nonlocal nonlinear refraction in fullerene/toluene solution by performing continuous-wave Z-scan and SSPM measurements at two different wavelengths. This work enriches the understanding of the physical mechanism of the optical nonlinear refraction effect in solution dispersions of nanomaterials, which can be exploited for nonlinear photonic devices.     

三基色计算全息图

介绍了三基色计算全息图的设计与制作，用白光光源照明该全息图，可以演示光的叠加，再现彩色图像并给出了理论分析和相应的实验结果。     

GaN晶体在飞秒紫外波段激发下的可变非线性吸收效应和光动力学过程研究

采用Z扫描和泵浦-探测技术研究了GaN薄膜在370 nm时的非线性光学效应和非线性光动力学过程。首先,基于GaN薄膜的透射光谱,结合线性光学理论分析得到了其在370 nm的线性折射率n₀、线性吸收系数α₀、光学带隙E_g等线性光学性质。采用飞秒激光Z扫描技术,得到了不同光强激发下的Z扫描实验响应结果,结合非线性光学理论提取出GaN薄膜可变的光学非线性吸收效应。在激发光子能量接近GaN带隙情况下,低光强时材料表现为饱和吸收而高光强时为反饱和吸收,这是因为低光强下单光子吸收占主导而高光强下以单光子感应自由载流子吸收为主。闭孔Z扫描测量得到了GaN薄膜的三阶非线性折射系数为n₂=-(1.0±0.1)×10-3 cm2·GW-1,它几乎比传统非线性介质的高出一个数量级。为了探究上述非线性过程的动力学弛豫时间以及进一步探究GaN薄膜非线性光动力学过程的深层物理机制,采用了交叉偏振飞秒退相泵浦探测技术观察GaN薄膜的光激发载流子动力学弛豫过程。实验结果表明,在低光强下,饱和吸收效应来源于瞬态单光子吸收,高光强下单光子感应自由载流子吸收为非瞬态光动力学过程,其自由载流子弛豫时间约为17 ps。该工作将为GaN薄膜在紫外非线性纳米器件应用以及GaN薄膜非线性过程的机制分析理解提供新的思路。     

GaAs在光通讯波段的超快非线性光学研究

采用Z-扫描和泵浦-探测技术,在光通讯波段对砷化镓(GaAs)单晶进行了非线性动力学以及非线性光学的实验研究.飞秒泵浦-探测实验结果表明,三阶非线性光学效应源于砷化镓单晶对飞秒激光的瞬态双光子吸收,而五阶非线性光学效应源于砷化镓单晶双光子吸收诱导的自由载流子吸收效应.通过Z扫描实验,得到了关于GaAs单晶所有的非线性光学参数,包括双光子吸收系数、三阶非线性折射系数、双光子吸收诱导的自由载流子吸收截面以及双光子吸收诱导的自由载流子折射截面.结果表明,砷化镓单晶在制造光限幅器件和光电探测器方面具有良好的发展前景.     

三阶非线性光学材料及其表征技术研究进展

介绍三阶非线性光学材料及其表征技术的研究进展。分析几种典型的三阶非线性光学材料及今后的发展趋势，指出介质物理材料的非线性光学特性将成为今后的研究热点。随着表征技术研究的进一步拓展，准波导技术将可能作为一种新的表征技术应用于非线性光学材料研究中。     

双光子激发ZnSe自由载流子超快动力学研究

采用Z扫描和抽运-探测实验技术, 在波长为532 nm、脉冲宽度为41 fs的条件下测得ZnSe晶体的双光子吸收系数, 并获得了不同激发光强下的自由载流子吸收截面、电子-空穴带间复合时间和电子-声子耦合时间. 研究发现, 随着激发光强的增大, 自由载流子吸收截面减小, 复合时间变短. 当激发光强增大导致载流子浓度大于10¹⁸ cm^-3时, 抽运-探测信号出现明显改变, 原因归结为强光场激发导致样品在短时间内带隙变窄和电子-空穴等离子体的形成.     

铝镓氮薄膜双光子吸收效应

基于飞秒激发Z扫描实验技术,研究了氮化镓薄膜和不同铝掺杂含量的掺铝氮化镓(以下简称铝镓氮)薄膜的超快非线性光学响应特性。在开孔Z-scan测试中,纯Ga N晶体薄膜表现出典型的双光子吸收特性,双光子吸收系数为3.5 cm/GW,且随着激发光强的增大而逐渐减小。随后测试了不同铝掺杂含量的Al_xGa_(1-x)N薄膜的非线性吸收系数。结果表明,随着铝掺杂摩尔分数的提高(0,19%,32%,42%),非线性吸收系数逐渐减小(18,10,6,5.6 cm/GW)。结合半导体非线性吸收理论分析,Al_xGa_(1-x)N薄膜材料的非线性过程主要是双光子吸收主导非线性响应物理过程。实验结果与半导体双光子吸收过程Sheik-Bahae理论符合得很好。     

单轴晶体中产生的高纯度纵向针形磁化场

基于理查德-沃尔夫矢量衍射理论和逆法拉第效应,提出一种在单轴晶体中产生高纯度纵向针形磁化场的方法.该方法通过电偶极子对数N及其阵列多参数调控,利用单轴晶体中的电偶极子反向辐射构建出优化的入瞳光场,再正向紧聚焦获得所需目标磁化场.模拟结果表明:当N=1时,单轴晶体中产生的磁化场比在同性介质中焦深长度增加近1.4倍,横向分辨率提高5%.当N=2和N=3时,单轴晶体中获得的纵向针形磁化场随着电偶极子对数增加,轴向焦深增加了10%,横向分辨率提高了18%.随着磁化场轮廓表面值从0.1变化到1,针形磁化场的纯度逐渐增大到1.尤其当N=2、轮廓表面值为0.1时,磁化场纯度高达95%.研究结果为在各向异性介质中生成更高纯度、针长更长的纵向磁化场提供了可行性方案,也为全光磁记录、原子捕获和光刻等实际应用中入瞳光场的优化选取提供了理论指导.