金属纳米线阵列全光调制

提出一种基于长程表面等离子体的介质-金属纳米线阵列-非线性介质复合全光调制器.考虑克尔效应对折射率变化的影响,采用时域有限差分法分析了金属纳米线直径、介质层厚度和泵浦光强度对反射谱的影响,通过合理配置金属纳米线和介质层的参数提高调制器的耦合性能,并在此基础上分析不同强度泵浦光的反射特性.结果表明:当金属纳米线直径为40nm,介质层厚度为1 800nm时,全光调制器的模式耦合能力达到最强.反射谱的反射率与泵浦光强度的变化呈线性关系,相关系数为0.998 1,且只需要0.5GW/cm~2功率的泵浦光就能使入射光的反射率从0.015提高到0.82,较好地实现光信号对光的全光调制.     

一维冷原子晶格中相干诱导三光子带隙

基于电磁感应透明技术,将相干耦合的Tripod型原子俘获在一维光晶格中并使其呈高斯型分布,由于介质的折射率被一维光晶格周期性调制,从而实现动态调控的三光子带隙结构.通过求解光场与原子相互作用密度矩阵方程以及光波在周期性介质中散射的传输矩阵方程,计算出探测场在相干驱动介质中的稳态反射谱和透射谱.计算结果表明:光子带隙的位置、宽度以及反射率可以通过改变两个耦合场的失谐、强度和几何布拉格失谐来调谐.     

基于原子-腔耦合系统下线宽压窄内腔四波混频信号的产生

本文实验研究了基于原子-腔耦合系统下的内腔四波混频效应。当一束驻波耦合场作用于该复合系统时,实验发现在原子共振频率中心,产生的反射波混频信号无法在腔内形成共振,而当耦合光频率偏离原子共振频率中心时,反射信号能在腔内共振,从而产生线宽压窄的共振输出;进一步实验研究了不同耦合光频率失谐下,腔模失谐对内腔四波混频效率的影响。理论上,基于内腔介质在驻波耦合场驱动下的吸收特性及耦合光泵浦引起的强吸收效应对实验现象进行了定性的分析。     

拓扑绝缘体和手征介质界面的Goos-Hnchen位移和Imbert-Fedorov位移

研究了线极化波在拓扑绝缘体和手征介质分界面上全反射时的Goos-Hnchen(GH)侧向位移和Imbert-Fedorov(IF)横向位移特性.使用修正的能流法推导出各位移表达式,数值计算分析了入射角、拓扑磁电耦合效应、手征性等对位移的影响.结果表明,当TE波入射时,拓扑绝缘体的磁电耦合效应或手征介质的手征性对两种位移的影响较为一致,即拓扑磁电耦合对GH和IF位移均为抑制,手征性对位移基本为单调增强或单调抑制.而TM波入射时,拓扑磁电极化率会使位移先增大后减小,位移存在一个极值,手征参数的增大使该极值向拓扑磁电极化率较小值方向移动;手征参数对位移的影响虽基本上是单调性的,但在某些情况中较为特殊,如右旋圆极化波的GH位移在拓扑磁电极化率对位移增强阶段,手征性也将增强位移,而在拓扑磁电极化率对位移抑制阶段,手征性也同时抑制位移.对拓扑绝缘体和手征介质界面GH和IF位移的研究,为测量拓扑磁电耦合特性及手征电磁交叉极化性质提供了一种光学方法.     

基于表面等离子体激元共振的飞秒抽运探测技术研究

对基于表面等离子体激元共振（SPR）的飞秒抽运探测技术进行了系统地数字分析.计算结果表明,利用SPR技术可将飞秒抽运探测信号强度ΔR/R提高2—3个数量级,其提高的比例依赖于金属膜的厚度和探测光的入射角,其中R和ΔR分别为探测光反射率的总量和变化量.特别地,对于金属-吸收介质体系,金属膜的介电常数变化对ΔR的影响仅为吸收介质影响的2%,所以ΔR/R主要反应吸收介质中的动力学过程,因此该技术对研究表面和界面的超 关键词： 超快光学 表面等离子体共振 飞秒抽运探测技术 信号强度     

金属-DBR-金属结构中光学Tamm态的弱耦合特性研究

当金属-分布式Bragg反射镜-金属(M1-DBR-M2)结构中的DBR周期数比较大时, M1-DBR-M2中的两光学Tamm态(OTS)发生弱耦合。通过研究M1-DBR-M2结构中OTS弱耦合情况下的反射光谱和OTS本征波长电场分布,揭示了弱耦合情况下的OTS和光隧穿效应。研究结果表明:在弱耦合情况下,金属薄膜M1的厚度影响了OTS的本征波长,而金属薄膜M2的厚度对OTS的本征波长没影响。虽然弱耦合情况下只能激发M1-DBR交界面处的OTS1,但电场局域现象并不是仅仅发生在M1-DBR交界面处,光可以穿过DBR到达并被局域在DBR-M2交界面处,存在光的隧穿效应。光隧穿效应的强弱与两OTS的本征波长失谐量大小有关,本征波长失谐量越小,光隧穿效应越强。两OTS的本征波长失谐量的大小,也影响了光在M1-DBR-M2结构中局域的强弱,本征波长失谐量越小,光的局域现象越强,反射光谱中凹峰处的反射率越小。     

掺杂稀土离子晶体中的电磁感应光透明现象

对在掺杂稀土离子晶体中实现电磁感应光透明进行了实验研究。首先,以Er3＋∶YAG晶体为样品,用旋转波近似下的密度矩阵方程理论计算了探测场的吸收特性随Er3＋离子浓度的变化规律,结果表明：在探测场失谐Δp=0时,形成了一个对于探测光透明的窗口,从而在理论上论证了在掺杂稀土离子晶体中实现电磁感应光透明效应的可行性。设计了一个以Pr3＋∶Y2SiO5晶体为样品的实验激发方案,吸收光谱显示,当温度为6 K时其在共振吸收峰处可形成一个完全透明的窗口,实现了在掺杂离子晶体中的电磁感应光透明。实验还分析了工作温度、耦合场失谐对探测光透过率的影响,结果显示：当样品温度上升到15 K时,透明窗口消失;耦合场的失谐量越大,透射率越小。     

准Λ型四能级系统选择反射光谱

运用密度矩阵理论研究了气固界面准Λ型四能级原子系统的非线性选择反射光谱.基于刘维尔方程给出了一阶近似条件下探测光场的解析式.在探测场为弱场时,分析了信号场拉比频率、失谐量和耦合场失谐量对反射光谱线型的影响.数值模拟表明:信号场参与产生的选择反射峰线宽可以利用信号场拉比频率进行调节,通过调节信号场频率失谐量,可以实现选择反射峰到透明窗口的转化,选择反射峰和透明窗口的位置可以通过耦合场失谐量实现调谐.利用三种电子跃迁路径以及缀饰态理论对所得结果进行了解释.本文结果为研究气固界面原子的量子相干和动力学过程提供理论参考.     

电磁诱导透明介质中探测场量子噪声特性的实验研究

利用平衡零拍探测测量电磁诱导透明(EIT)介质中探测场的正交振幅和正交相位噪声谱。在平衡零拍探测系统中通过调节压电陶瓷来改变本振光的光程从而改变本振光与探测光的相对相位,进而测量不同相位对应的探测光的噪声分量。实验中电磁诱导透明介质中探测光与耦合光耦合导致探测光噪声的增大,发现在耦合光不同失谐下对探测光不同正交分量引入的额外噪声是不同的,同时得到了探测光噪声与耦合光功率及分析频率的关系。     

硅表面抗反射纳米周期阵列结构的纳米压印制备与性能研究

硅表面固有的菲涅耳反射, 使得硅基半导体光电器件(如太阳能电池、红外探测器)表面有30%以上的入射光因反射而损失掉, 严重影响着器件的光电转换效率. 寻找一种方法降低硅基表面的反射率, 进而提高器件的效率成为近年来研究的重点.本文基于纳米压印光刻技术, 在2 英寸单晶硅表面制备出周期530 nm, 高240 nm的二维六角截顶抛面纳米柱阵列结构. 反射率的测试表明, 当入射光角度为8° 时, 有纳米结构的硅片相对于无纳米 结构的硅片来讲, 在400到2500 nm波长范围内的反射率有很明显的降低, 其中, 800到2000 nm波段的反射率都小于10%, 在波长1360 nm附近的反射率由31%降低为零. 结合等效介质理论和严格耦合波理论对结果进行了分析和验证. 关键词： 纳米压印 截顶抛物面阵列 抗反射 等效介质理论     

光在光轴取向任意条件下的晶体表面透射率

为了分析一束光在晶体表面的能量损失以及两束折射光的能量比,给出了一种求解反射率和透射率的方法。讨论了光从各向同性介质入射到单轴晶体表面时的折射和反射,注意到了e光线与e光波方向的不同,e光折射率与e光波法线折射率的不同,得出了在界面处应该满足的边界方程。在晶体光轴取向任意的条件下,给出了表明各光束间能量关系的折射率和反射率的理论表达式,为晶体器件特性的研究提供了有力的理论工具。数值模拟表明:得到的结果满足能量守恒;反射到各向同性介质中的光的电场(或磁场)与原入射光的电场(或磁场)不再平行;光轴的取向和入射角的大小对折射的o光、e光的能量比有很大的影响。     

等离子体中受激Raman效应引起的近简并四波混频

本文研究等离子体中由于受激Raman散射激发起来的电子等离子体波引起的近简并四波混频。文中解析地导出此情况下等离子体介质的三阶非线性极化率,并讨论其位相匹配条件。通过求解偶合波方程得到位相复共轭反射率,并详细研究该反射率与泵浦光和探针光的频率差以及与相互作用长度的关系。     

基于电控棱镜结构太赫兹波开关

提出基于棱镜-空气-石墨烯-石英-硅结构,通过外加电场改变石墨烯的介电常数,引起太赫兹波反射率的变化,并利用等离子体共振机理对反射太赫兹波强度控制以实现太赫兹波开关功能.研究了空气隙对太赫兹波反射率的影响,结果表明:当空气隙为20μm时,太赫兹波反射率最小值为68.79%,当空气隙为56μm时,太赫兹波反射率最小值降至0.04%,此时的空气隙达到最佳值.分析确定了石墨烯化学势对太赫兹波反射率的影响,结果表明:当石墨烯化学势从0eV增加到0.2eV,太赫兹波的反射率从零增加到95.89%,从零反射变成全反射,表明该结构具有优异的反射太赫兹波强度控制性能,开关的消光比达到33dB.     

飞秒激光热反射系统测量金属薄膜中的热波

金属材料中的热波现象可以利用包含电子弛豫时间影响的双曲两步模型进行理论分析.通过飞秒激光热反射实验系统对金属薄膜材料进行了测量.利用偏振分光棱镜将飞秒激光分成抽运光和探测光,其中较强的抽运光用于加热金属薄膜而较弱的探测光用于探测薄膜表面反射率随时间的变化,两束光之间的光程差通过步进电机进行精确控制.利用金属薄膜反射率和电子温度的正比例关系就可以得到电子温度随时间的变化规律.实验发现在加热激光脉冲过后的电子温度下降区间会出现另一个较弱的电子温度波峰,并利用相同厚度的两块金属薄膜样品重复测量对实验结果进行了验证.理论上这一现象可以解释为金属薄膜中热波在背面反射的结果,并且实验结果和双曲两步模型给出的热波理论计算结果相符合.根据实验结果计算出热波传递速度约为5×105m/s,对应的电子弛豫时间为60fs.     

耦合光学微腔的频率调谐过程分析

不同的频率失谐会在耦合光学微腔激发出不同的工作模式.以两个耦合光场的非线性薛定谔方程为理论模型,分别研究了失谐参量正调谐和负调谐过程中微腔内光场的变化.理论分析结果表明,在正失谐区域中,腔内光场可由多脉冲形式演变为亮孤子,但亮孤子存在范围较小,当失谐参量过大时,腔内光场会演化为直流分布.在负失谐区域,腔内可以形成较高功率"图灵环"形式的光场.当耦合微腔没有发生频率失谐,或者失谐参量接近0时,腔内只能形成混沌形式的光场分布.当耦合微腔内激发出光孤子后,通过选取合适的失谐参量和抽运功率,可在腔内维持稳定的亮孤子.此外还可通过继续调谐第一个微腔的失谐参量,将亮孤子转变为低功率的"图灵环".理论分析结果对耦合微腔的实验研究具有重要意义.     

介质保护膜在表面等离子体波探测器中的应用研究

基于表面等离子体波共振技术的探测器中金属膜通常与被探测物直接接触,在金属膜和被探测物之间增加一层介质膜,可以对金属膜进行保护.为了优化探测器的设计,通过对四层共振结构中表面等离子体波共振吸收峰随保护层厚度及其介电常数变化的计算,得到了对保护层参量的选择条件.     

基于表面等离子体的角动量探测器

为了精确辨别探测光的角动量,设计了一种基于表面等离子体的角动量探测器.该探测器体积小巧,结构简单,仅通过在一块金膜层上刻蚀设计好的纳米矩孔阵列就能实现对入射光角动量的探测.当入射光照射该探测器时,首先根据表面激发产生的表面等离子体波的耦合方向辨别入射光的偏振方向;之后通过测量出射端口的光强强度与耦合方向端口光强总强度之比,定量计算出-1到+1之间轨道角动量拓扑数的精确值.该微纳结构探测器可以精确识别入射光的角动量,为光学片上系统的设计与开发提供新思路.     

布儒斯特角附近的透射光栅传输特性

减小光栅表面的反射率以得到更高的衍射效率是目前光栅设计与制造中需要解决的重要问题之一。提出利用偏振光沿布儒斯特角入射时具有的特性来实现降低光栅表面反射率的方案,介绍了这种方案的物理模型,并利用严格耦合波分析法进行了模拟计算。计算结果显示,对入射光为TM偏振,波长0.35 μm,当光栅周期较长为2.80 μm时,以布儒斯特角入射的光波,它的表面反射被大大抑制;当光栅周期较短为0.21 μm时也有类似的结论,并且透射光的一级衍射效率极大值出现在刻槽深度为3.50 μm处附近,衍射效率大于95%。     

布儒斯特角附近的透射光栅传输特性

 减小光栅表面的反射率以得到更高的衍射效率是目前光栅设计与制造中需要解决的重要问题之一。提出利用偏振光沿布儒斯特角入射时具有的特性来实现降低光栅表面反射率的方案,介绍了这种方案的物理模型,并利用严格耦合波分析法进行了模拟计算。计算结果显示,对入射光为TM偏振,波长0.35 μm,当光栅周期较长为2.80 μm时,以布儒斯特角入射的光波,它的表面反射被大大抑制;当光栅周期较短为0.21 μm时也有类似的结论,并且透射光的一级衍射效率极大值出现在刻槽深度为3.50 μm处附近,衍射效率大于95%。     

BaTiO3:Ce自泵浦相位共轭产生机理随泵浦光斑尺寸的变化

实验发现当光入射到晶体表面的泵浦光斑尺寸较小时,无论入射角和入射位置怎样,擦除光对相位共轭反射率没有影响,同时从上表面可观察到全内反射的光回路,所以SPPC的形成机理为FWM-TIR;当入射到晶体表面的泵浦光斑尺寸较大时,在一定的入射角和入射位置,擦除光的作用使相位共轭反射率很快减小,表明这时的SPPC的形成机理为FWM-SPB.