（光学专业论文）基于类非简并二波耦合效应的光群速调控.pdf

南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位 获得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文 ( 包括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论 文，并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将 公开的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检 索、文摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向 教育部指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和 中国学术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范同的学位论文及其电子版并收入相应学位论文 数据库，通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并己通过论文答 辩；提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 毖塞定 2 0 1 0年0 5 月2 6 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 基于类非简并二波耦合效应的光群速调控 姓名 张文定学号 2 1 2 0 0 7 0 1 1 3 答辩日期2 0 1 0 年5 月2 5 日 论文类别博士口学历硕士、硕十专业学位口高校教师同等学力硕士口 院系所 泰达应用物理学院 专业光学 联系电话 0 2 2 6 6 2 2 9 4 5 9 e m a i l o n l y z w d 1 6 3 t o m 通信地址( 邮编) ：天津经济技术开发区宏达街2 3 号泰达应用物理学院( 3 0 0 4 5 7 ) 备注：是否批准为1 公开论文否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 8 删23哪4jjjjui8 iiii-洲y 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所 取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：韭塞定2 0 1 0 年0 5 月2 6 日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目基于类非简并二波耦合效应的光群速调控 申请密级 口限制( 2 年)口秘密( l o 年)口机密( 2 0 年) 保密期限 2 0 年月日至2 0年月日 审批表编号批准日期 2 0 年月日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于l o 年) 摘要 摘要 光群速调控是近年来的研究热点，对光群速调控的研究实际上是对色散控 制的研究，它不但有助于我们理解材料的特性，而且在全光缓存、光学延迟线、 非线性效应增强等方面都有很广阔的研究与应用前景。在m s b i g e l o w 等和张 国权等工作的基础上，我们实验研究了红宝石晶体中的自泵浦光群速减慢与加 快，提出了类非简并二波耦合效应，并利用这一效应对实验结果做出了合理的 解释。在上述光群速调控工作的基础上，我们推测在存在非简并二波耦合效应 的介质中可以利用类非简并二波耦合效应实现光群速调控。进一步的实验中， 我们又在掺若丹明6 g ( r 6 g ) 的有机玻璃( p m m a ) 中利用相同的机制实现了 光群速调控，这一工作的主要意义有以下两个方面：1 找到了红宝石晶体的廉 价替代品：2 支持了先前关于在存在非简并二波耦合效应的介质中可以利用类 非简并二波耦合效应实现光群速调控的推测。本论文的主要内容包括以下四个 方面： 1 第一章我们首先介绍了光群速的基本概念：然后对光群速调控的研究现状做 了一个简单的总结；最后介绍了光群速调控的意义，着重说明了其在全光缓 存、光学延迟线、非线性效应增强等方面的应用。 2 第二章我们首先对m s b i g e l o w 等和张国权等的工作分别做了介绍，在上 述工作的基础上，利用改进后的实验配置，在实现了自泵浦光群速减慢之后， 我们在红宝石晶体中进一步实现了自泵浦光群速加快，这一工作使得红宝石 晶体用于实现光群速调控的工作得以完善；在理论上我们提出了类非简并二 波耦合效应来解释自泵浦光群速加快的实验现象，并在实验上证明了此效应 的存在。由于类非简并二波耦合效应与非简并二波耦合效应的物理本质相 同，我们推测在存在非简并二波耦合效应的材料中可以利用类非简并二波耦 合效应实现光群速调控。 3 第三章我们首先分析了红宝石晶体用于实现光群速调控的缺点，并针对性地 制作了掺r 6 g 的p m m a 作为红宝石晶体的替代品。在对掺r 6 gp m m a 的 性质做出了分析测量的基础上，我们在实验上证明了掺r 6 gp m m a 中非简 并二波耦合效应的存在，基于类非简并二波耦合效应在掺r 6 gp m m a 中实 现了自泵浦光群速调控，并测量了信号光和参考光之间的时间延迟与高斯脉 摘要 冲信号半高宽之间的关系，这些实验结果充分说明掺r 6 gp m m a 在定情 况下可以作为红宝石晶体的优秀替代品用于实现光群速调控。上述实验结果 与在纯p m m a 中的对比实验结果支持了在存在非简并二波耦合效应的介质 中可以利用类非简并二波耦合效应实现光群速调控的推测。 4 第四章我们对现在的工作做出了阶段性总结。在总结工作的基础上，一方面 分析了现有工作中的不足之处，展望了类非简并二波耦合效应的进一步研究 计划；另一方面立足于光群速调控的整个研究方向，展望了光群速调控工作 的下一步研究计划。 关键词：光群速减慢光群速加快红宝石晶体掺r 6 gp m m a 类非简 并二波耦合效应 a b s t r a c t a b s t r a c t c o n t r o l l i n gt h eg r o u pv e l o c i t yi sn o w af r o n t i e ro fm o d e mo p t i c s ，t h ee s s e n c eo f w h i c hi st h ed i s p e r s i v ec o n t r 0 1 i ti sn o to n l yt o h e l pu s t ou n d e r s t a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fm a t e r i a l ，b u ta l s oh a sm u c hv a l u ef o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ss u c ha s n o n l i n e a re f f e c t se n h a n c e m e n t ，a l l o p t i c a lb u f f e ra n ds oo n b a s e do nt h ew o r ko fm s b i g e l o we ta la n dgq z h a n ge ta 1 t h es e l f - i n d u c e ds u b l u m i n a la n ds u p e r l u m i n a l l i g h tp r o p a g a t i o nw e r er e a l i z e di nr u b yc r y s t a le x p e r i m e n t a l l ya n dt h en o n d e g e n e r a t e t w o - w a v ec o u p l i n gl i k em e c h a n i s m ( n d t w c l i k e ) w a sp r o p o s e d 、析mw h i c ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ee x p l a i n e d b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lw o r k o nr u b yc r y s t a l ， w es p e c u l a t e dt h a tt h em a t e r i a lw i mt h en o n d e g e n e r a t et w o - w a v ec o u p l i n g ( n d t w c ) p r o c e s sc o u l db eu s e dt oc o n t r o lt h eg r o u pv e l o c i t y 、i t l lt h en d t w c l i k e m e c h a n i s m a f t e rt h a t ，t h es e l f - i n d u c e ds u b l u m i n a la n ds u p e r l u m i n a ll i g h tp r o p a g a t i o nw a sa l s o a c h i e v e di nr h o d a m i n e6 g d o p e dp o l y m e t h y lm e t h a c r y l a t e ( r 6 g d o e p dp m m a ) w i t ht h en d t w c l i k em e c h a n i s m w ef o u n dt h a tr 6 g d o p e dp m m ac a nb eu s e da s o n eo ft h eg o o ds u b s t i t u t e so fr u b yc r y s t a lt oc o n t r o l t h eg r o u pv e l o c i t ya n d c o n f i r m e dt h ef o r m e rs u s p i c i o nt h a tt h em a t e r i a lw i t ht h en d t w c p r o c e s sc o u l db e u s e dt oc o n t r o lt h eg r o u pv e l o c i t yw i mt h en d t w c l i k em e c h a n i s m t h em a i n c o n t e n t so ft h et h e s i sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w i n g ： 1 i nt h ec h a p t e ro n e 。f i r s t l y , t h eb a s i cc o n c e p t so ft h eg r o u pv e l o c i t ya r ei n t r o d u c e d i n g e n e r a l ；s e c o n d l y , t h e m e t h o d so fc o n t r o l l i n gt h e g r o u pv e l o c i t ya r e s u m m a r i z e d ；a n dt h e nt h es i g n i f i c a n c eo fc o n t r o l l i n gt h eg r o u pv e l o c i t yi s i n t r o d u c e d ；f i n a l l y , t h ea p p l i c a t i o n ss u c ha sa l l - o p t i c a lb u f f e r , n o n l i n e a re f f e c t s e n h a n c e m e n ta r ei n t r o d u c e dw i t hg r e a te m p h a s i s 2 i nt h ec h a p t e rt w o t h ew o r ko fm s b i g e l o we ta la n dg q z h a n ge ta la r e i n t r o d u c e da sb a c k g r o u n d ，r e s p e c t i v e l y b a s e do nt h e i rw o r k ，t h es e l f - i n d u c e d s u b l u m i n a la n ds u p e r l u m i n a ll i g h tp r o p a g a t i o ni nr u b yc r y s t a lw e r eo b s e r v e db y m o d i f i e de x p e r i m e n t a ls e t u pa n dt h ew o r kt h a tc o n t r o l l i n gt h eg r o u pv e l o c i t yi n r u b yc r y s t a lh a db e e nc o m p l e t e d t h en d t w c l i k em e c h a n i s mw a sp r o p o s e dt o i i i a b s t r a c t e x p l a i nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a n dp r o v e de x p e r i m e n t a l l yi nr u b yc r y s t a l b e c a u s et h e p h y s i c se s s e n c eo fn d t w c 1 i k e m e c h a n i s ma n dn d t w c m e c h a n i s mi st h es a m e ，w es u s p e c t e dt h a tt h em a t e r i a lw i t ht h en d t w c p r o c e s s c o u l db eu s e dt oc o n t r o lt h eg r o u pv e l o c i t yw i t ht h en d t w c l i k em e c h a n i s m 3 i nt h ec h a p t e rt h r e e ，t h ed i s a d v a n t a g e so fr u b yc r y s t a lt o c o n t r o l t h eg r o u p v e l o c i t yw e r ea n a l y z e d a n dw em a d et h er 6 g d o e p dp m m a w h i c hw a su s e da s as u b s t i t u t eo fr u b yc r y s t a l a f t e rg e t t i n gt h eb a s i cp r o p e r t i e so ft h i sm a t e r i a l ，w e p r o v e dt h ee x i s t e n c eo fn d t w c m e c h a n i s mi nt h em a t e r i a l ，w ee x p e r i m e n t a l l y o b s e r v e dt h es e l f - i n d u c e ds u b l u m i n a la n ds u p e r l u m i n a ll i g h tp r o p a g a t i o n ，a n d p r e s e n t e dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h et i m ed e l a ya n d t h em o d u l a t i o nf r e q u e n c y t h ec o n t r a s te x p e r i m e n t a ir e s u l t sb e t w e e nt h er 6 g - d o e p dp m m aa n dt h ep u r e p m m as u p p o r t e do u rf o r m e rs u s p i c i o nt h a tt h em a t e r i a l 谢lt h en d t w c p r o c e s sc o u l db eu s e dt o c o n t r o lt h eg r o u pv e l o c i t yw i t ht h en d t w c - l i k e m e c h a n i s m 4 i nt h ec h a p t e rf o u r , t h ew o r kw a ss u m m a r i z e d b a s e do nw h a tw ea c h i e v e d ， f i r s t l y , w ep r e s e n t e dt h ef u r t h e rr e s e a r c hp l a no ft h en d t w c l i k em e c h a n i s m ， a n dt h e nt h ef u r t h e rr e s e a r c hp l a no fc o n t r o l l i n gt h eg r o u pv e l o c i t yi nt h et o t a l f i e l d k e yw o r d s ：s u b l u m i n a ll i g h tp r o p a g a t i o ns u p e r l u m i n a ll i g h tp r o p a g a t i o n r u b yc r y s t a l r h o d a m i n e6 g - d o p e dp o l y m e t h y lm e t h a c r y l a t e ( r 6 g - d o p e dp m m a ) n o n d e g e n e r a t et w ow a v ec o u p l i n gl i k em e c h a n i s m ( n d t w c l i k e ) i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章光群速调控及光群速调控的意义1 第一节光群速调控的研究现状l 1 1 1 基于效应的色散实现光群速调控2 1 1 2 基于结构的色散实现光群速调控3 第二节光群速调控的意义：j ：。：5 第三节本论文的研究内容8 第二章红宝石中自泵浦光群速调控与类非简并二波耦合9 第一节粒子相干布居数振荡与红宝石中自泵浦光群速减慢一9 第二节红宝石中的非简并二波耦合及光群速调控1 2 第三节红宝石中基于类非简并二波耦合的光群速调控1 7 2 3 1 红宝石中自泵浦光群速加快的可行性分析1 7 2 3 2 改进后的红宝石中的光群速调控l8 2 3 3 红宝石中类非简并二波耦合的实验证明。1 9 第四节本章小结2 2 第三章掺r 6 gp n 压a 中基于类非简并二波耦合的光群速调控2 3 繇一掺r 6 gp m m a 一2 3 3 1 1p m m a 的基本性质2 3 3 1 2 掺r 6 gp m m a 的基本性质2 4 3 1 3 掺r 6 gp m m a 的光学非线性性质2 6 第二节掺r 6 gp m m a 中非简并二波耦合2 8 3 2 1 掺r 6 gp m m a 中非简并二波耦合的实验证明2 9 v 目录 3 2 2 掺r 6 gp m m a 中类非简并二波耦合的实验证明3 0 第三节掺r 6 gp m m a 中的光群速调控3 2 3 3 1 掺r 6 gp m m a 中光群速调控实验结果3 2 3 3 2 掺r 6 gp m m a 中时间延迟和调制频率之间的关系3 4 第四节本章小结3 5 第四章总结与展望。3 6 第一节工作总结3 6 4 1 1 红宝石中的光群速调控3 6 4 1 2 掺r 6 gp m m a 中的光群速调控3 7 第二节工作展望3 7 第三节结束语3 9 参考文献4 0 致谢4 5 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果4 6 v i 第一章光群速调控及光群速调控的意义 第一章光群速调控及光群速调控的意义 单一频率的光波在介质中传播时，传播速度由介质的介电常数决定。如果 该介质的介电常数与光波的频率无关，这种介质被称为非色散介质；如果介质 的介电常数与光波的频率有关，则介质被称为色散介质。 对于单色平面波，由于其频率成分单一，其传播速度可以用相速度描述， 即单一频率光波的传播速度，1 2 】 y 。：竺：三 ( 1 1 ) kn 缈为单色平面波的角频率，k 为单色平面波的波矢，c 为光波在真空中的速度， 刀为介质的折射率。 但是现实中光源发出的光波都不是单一频率成分的光波，一般是由许多不 同频率分量的单色平面波组成，并由这些单色平面波叠加成一个波包。由于介 质中色散效应的存在，光波在色散介质中传播时，各单色平面波分量将以不同 的相速度传播，波包中心传播的速度会相应地发生变化，为此我们引入群速度 的概念：它是许多不同频率成分的单色平面波叠加的波包中心在介质中的传播 速度，最早由瑞利提出的光群速的定义如下【1 3 】： d 。：粤：三：之 ( 1 2 ) d g2 磊2 石2 1 u z 6 n 十_ a o j 根据式( 1 2 ) 可知，当光波在色散介质中传播时，光波的群速度不仅与介 质的折射率胛有关，还与介质的色散a , , a 攻。有关，在正常色散很大的情况下， 刀+ c o d n d c o 1 ，u 。 c ，出现光群速减慢。在反常色散情况下，a , , a 西o c 甚至d 。 0 ，出现光群速加快1 1 4 ，1 5 】。 第一节光群速调控的研究现状 由于光群速调控具有很大的理论研究价值和广泛的应用前景，因此对光群 速调控的研究得到人们越来越多的重视，经过大量的理论和实验研究，可以实 第一章光群速调控及光群速凋控的意义 现光群速调控的方法逐渐被发现，就目前对光群速调控的研究来看，可以实现 光群速调控的方法大致可以分为以下两个方向1 6 1 ：1 基于效应的色散来实现 光群速调控；2 基于结构的色散来实现光群速调控。 1 1 1 基于效应的色散实现光群速调控 基于效应的色散实现光群速调控主要有以下几个方面的代表性工作：电磁 感应透明效应( e i t ，即e l e c t r o m a g n e t i c a l l yi n d u c e dt r a n s p a r e n c y ) 、相干布居数 振荡效应( c p o ，即c o h e r e n tp o p u l m i o no s c i l l a t i o n s ) 、位相耦合色散效应( d p c e ， 即d i s p e r s i v ep h a s e c o u p l i n ge f f e c t ) 、受激布里渊散射( s b s ，即s t i m u l a t e d b r i l l o u i ns c a t t e r i n g ) 等。 早在2 0 世纪初期，人们就对光群速减慢展开了研究，直到1 9 9 9 年，l vh a u 等才在超低温( 4 5 0 n k ) 钠原子气体中利用电磁感应透明效应( e i t ) 在吸收很 小的情况下实现了1 7 m s 的超慢光传输【1 7 1 ，这一结果成为近期光学领域最有突 破性的成就之一，相继又有其它基于e i t 效应的光群速调控【1 8 ，1 9 1 ，但是基于e i t 效应的光群速减慢都是在超低温原子气体中实现的，虽然近年来在固态掺 p r ：y s o ( p r s + ：y 2 s i 0 5 ) 晶体中基于e i t 效应也实现了光群速减慢【1 1 0 ，1 1 1 1 ，但是 超低温实验条件明显限制了e i t 效应在光群速调控方面的应用。 2 0 0 3 年，m s b i g e l o w 等在室温条件下利用粒子相干布居数振荡效应 ( c p o ) 在红宝石晶体中实现了自泵浦光群速减慢【l 1 2 j ，这一工作具有重要的意 义，它使得光群速调控的实验条件从超低温气体过渡到了室温固态介质，给后 续的光群速调控工作打下了一个很好的基础。 2 0 0 4 年，张国权等在室温条件下在光折变晶体硅酸铋( b i l 2 s i 0 2 0 ) 中利用 位相耦合色散效应( d p c e ) 实现了0 0 5 m s 的超慢光 1 1 3 - 1 1 5 j 。2 0 0 5 年，又在硅 酸铋晶体中利用此效应实现了光群速加快【l 16 。，在实现慢光和快光的同时，还实 现了慢光和快光的相干放大。在m s b i g e l o w 等和张国权等工作的基础上，2 0 0 8 年，我们在红宝石晶体中不但实现了自泵浦光群速减慢，同时还实现了自泵浦 光群速加快7 ，1 1 引，提出了类非简并二波耦合效应并对我们的实验结果做出了 合理的解释，这一工作使得红宝石晶体中的光群速调控工作得以进一步完善。 此项工作及其后续工作是本论文的主要内容。 在上述光群速调控工作进行的同时，在光纤中利用受激布里渊散射效应 2 第一章光群速调控及光群速调控的意义 ( s b s ) 实现光群速调控的工作也取得了很大进展。2 0 0 5 年，y o s h i t o m o o k a w a c h i 等在光纤中利用受激布里渊散射效应实现了光群速减慢和加快l i 例，这 一结果具有重大的意义，在光纤中实现光群速调控是与实际应用接轨的重要一 步【1 2 0 1 2 2 】：1 在光纤中实现光群速调控使用的激光波长是光通讯波长范围，便 于和现有的光通讯系统集成，便于实际应用；2 在光纤中实现光群速调控使用 的光脉冲是纳秒或皮秒量级脉冲，而在此前的光群速调控实验中使用的光脉冲 最窄为微秒量级脉冲，而在光通讯波段实现信号传输使用的光脉冲都在纳秒或 皮秒量级，显然纳秒或皮秒脉冲更利于实际应用。 1 1 2 基于结构的色散实现光群速调控 虽然利用效应的色散可以实现光群速调控，但是这里面还存在着很多缺点： 1 利用效应的色散实现光群速调控对光波长要求很苛刻，必须在材料自身所限 定的合适波长才可以实现光群速调控，这对于实际应用具有很大不便；2 利用 效应的色散实现光群速调控在光信号高频调制的情况下很难实现。但是进一步 的研究发现，通过一定的技术手段在材料中构造一些特殊的结构，利用结构共 振引起的色散也可以实现光群速调控【i 6 】，这一技术较效应的色散具有很大的优 势，可以根据需要的波长构造合适的结构来实现光群速调控。 对于结构共振引起的色散，在禁带有效折射率是反常的，因此光脉冲在禁 带的群速度是加快的，不过禁带的透过率非常低，而在带边处则存在正的陡峭 的斜率，导致光群速减慢。利用结构共振引起的色散实现光群速调控主要有以 下几个方面的代表性工作：光子晶体波导( p h o t o n i cc r y s t a lw a v e g u i d e ) 、光纤布 拉格光栅( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 、耦合谐振腔( c o u p l e dr e s o n a t o r ) 等。 光子晶体波导是一种具有周期性介电结构的人造材料，具有独特的光子带 隙特性，能够控制光子的运动状态，是实现光群速减慢的最佳材料系统之一i l 。2 引。 光子晶体波导中实现光群速减慢的工作有很多，2 0 0 5 年，y u r i i a v l a s o v 等在 硅基光子晶体波导结构中实现了光群速减慢【l 2 4 1 ，这一工作使得光子晶体波导用 于实现光群速调控成为可能。 光纤布拉格光栅是在紫外光敏光纤中通过干涉技术写入的一种周期性 ( a - 1 0 2 n m ) 结构【l 2 5 1 ，光脉冲在光纤布拉格光栅透射光谱的带边会经历很强的 色散，产生明显的时间延迟，从而实现光群速减慢。2 0 0 6 年，j o e t m o k 等 3 第一章光群速调控及光群速调控的意义 利用光纤布拉格光栅透射光谱带边处的色散效应实现了光群速减慢1 2 6 ，1 刀】。 耦合环形谐振腔最早是由a n l l l o n y a r i v 等【1 。2 8 1 提出并做出了详细的理论分 析，耦合环形谐振腔是一种周期性结构，由相互连接的圆环构成，光波在一个 环内由于反射在前向和后向都有光波传输，通过相邻圆环之间的耦合把光耦合 j 篁 _ = 名 磊 、， 咨 荔 盘 皇 兰 ( a ) qq qq ( b ) v a r i a b l ew a v e l e n g t hp u l s e 图1 1 光学环形谐振腔实现光群速减慢实验结果f 1 2 9 i 到下一个圆环中循环传输，在耦合环形谐振腔的透射光谱的带边，光信号会经 历很强的色散，从而在环形谐振腔的共振波长处可以实现光群速调控。2 0 0 4 年， j o h n e h e e b n e r 等在实验上利用环形谐振腔实现了光群速减慢i l 倒j ，图1 1 是光 学环形谐振腔中实现光群速减慢的实验结果，峰值半高宽为5 l n s 的高斯脉冲被 延迟了2 7 n s ，而在环形谐振腔的非共振波长处，高斯脉冲没有出现时间延迟， 不能用来实现光群速减慢。 基于结构的色散实现光群速调控可以通过设计合适的结构实现任意波长的 光群速调控，合适的结构也便于和其它光学器件之间进行连接，使得全光通信 成为可能。 4 第章光群速调控及光群速调控的意义 第二节光群速调控的意义 近年来，利用非线性光学方法控制光脉冲在介质中的传输逐渐成为一个研 究热点，越来越多的科学家们致力于这方面的研究，经过大量的理论和实验研 究，在慢光产生机制方面的研究已经取得了巨大的进步，越来越多性能优良，结 构简单，可以实现慢光的结构呈现出来，这也使得慢光从理论研究走向实际应用 的步伐越来越快。前期的理论和实验工作都是在实验室中完成的，现在科学家 们致力于怎样把可以实现慢光的机制和结构应用到实际中去。2 0 0 6 年，r o b e r t w b o y d 等在o p t i c s & p h o t o m c sn e w s 上发表了一篇关于慢光应用的文纠1 3 0 1 ，全面 总结了慢光的应用前景，慢光在实际中具有广泛的应用，比如：全光缓存、光 学延迟线、非线性效应增强等。 鳓 p o r t sp o a s nxn ( b ) s l o w - l i g h t 图1 2 基于慢光机制的全光缓存器，( a ) n x n 型全光路由器；( b ) 光学缓存器中加入慢光 介质用于避免两个数据包同时到达光开关【1 3 0 】 利用慢光机制实现全光缓存是比较重要的一个应用，图1 2 是全光缓存的实 现方法，图1 2 ( a ) 是一个n x n 型全光路由器，从任何一个端口输入的光信号 都可以被动态分配到输出端的任意一个端口中，但是这也会引起一些很严重的 问题，当两个数据包同时到达路由器的同端口时，光开关每次只能处理一个 数据包，这就会出现数据包冲突的问题，但是利用慢光机制可以很好的解决这 个问题，如图1 2 ( b ) 所示，建立一个缓存器，一个数据包直接通过缓存器， 另外一个数据包经过时，通过控制慢光介质的色散使得一个数据包的光群速减 5 第一章光群速调控及光群速调控的意义 慢，这样就可以使两个数据包不同时到达路由器的同一输出端口，避免数据包 在传输过程中发生冲突。 对于光学延迟线，在实际应用中，主要关心的不是总的时间延迟，而是总 的时间延迟与光脉冲峰值半高宽倒数的乘积( 时延带宽积) ，这个乘积可以用于 粗略表示光学介质对信息的存储能力，最好的实验室结果是t a k a y u k ik u r o s u 等 实现的，实现了约2 0 0 0 0 个脉冲宽度的时间延迟【1 3 1 1 。对于实际应用中的光通讯 系统，每个数据包至少包含1 0 0 0 比特率的信息，那么实际应用中构造的光学延 迟线至少也要有1 0 0 0 比特率的信息容量，这是构造光学延迟线时必须要考虑的， 对于这方面存在的问题，r o b e r t w b o y d 等也在理论上对慢光延迟线的应用做了 详细的理论计算 1 3 2 j 。 近年来，光子晶体波导结构引起了人们越来越多的兴趣，因为它在非线性 光子学方面具有很多应用，通过设计合适的光子晶体波导结构，可以使光子晶 体波导结构具有不同的群折射率，当光脉冲经过光子晶体波导结构时，可以使 得光脉冲的群速度减慢，二者的作用是相互的，结构中光群速的减慢也可以加 强光子晶体波导结构的非线性效应，比如自相位调制，受激拉曼散射、三次谐 ( a ) 、 j s i l i c o n v 0 = c 3 、 图1 3 利用光子晶体波导结构中的光群速减慢使得三次谐波效应增强，( a ) 不同群折射率 光子品体波导结构示意图；( b ) 高斯脉冲入射到光子晶体结构中激发三次谐波示意图：( c ) 光子晶体波导结构群折射率与激发三次谐波产生需要的光脉冲光强之间的关系，随着光子 晶体波导群折射率的增加，激发三次谐波产生的光脉冲的光强逐渐减小f 1 3 3 】 波产生等，慢光效应加强了光脉冲与光子晶体波导结构之间的相互作用，可以 有效减短光子晶体波导结构的物理长度，降低非线性效应产生需要的光激发强 6 第一章光群速调控及光群速调控的意义 度。 2 0 0 9 年，c m o n a t 等利用色散可控硅基光子晶体波导中的光群速减慢使得 三次谐波的产生得以增强【1 3 3 ，1 3 4 1 ，如图1 3 所示，图1 3 ( a ) 中给出的是具有不 同周期的硅基光子晶体波导结构，它们具有不同的群折射率，当用1 5 6 0 n r n 可调 谐光纤脉冲激光器( 脉冲的峰值半高宽为1 2 p s ，重复频率为4 m h z ) 去激发光子 晶体波导时，可以产生三次谐波，如图1 3 ( b ) 所示，从图1 3 ( c ) 中给出的光 子晶体波导的群折射率与激发光强的关系可以看出，随着硅基光子晶体波导结 构群折射率的增加，光脉冲在光子晶体波导结构中的群速度会逐渐减慢，这使 得光脉冲与硅基光子晶体波导结构的作用逐渐增强，使得用来激发三次谐波产 生的光脉冲的光强逐渐降低，由此可以看出，利用光子晶体波导结构中的慢光 效应可以有效的激发三次谐波产生，这一结果充分说明慢光使得光子晶体波导 结构中的非线性效应得以显著增强。 随着脉冲激光器的出现，原本介质中可以忽略的三阶非线性极化率受到了 越来越多的重视，这种三阶非线性在非线性光学的发展中具有重要的作用，由 于其广泛的应用范围，强光非线性光学近几十年来得到了飞速发展，但是介质 的三阶非线性极化率一般都很小，虽然通过增加光强可以使介质的非线性效应 得到增强，但是光强是不能够无限增加的，当光强增大到一定强度时，介质也 会因为不能够承受很大的光强而被击穿或电离，这成为制约强光非线性光学发 展的瓶颈眦】。但是在光强一定的情况下，通过改变介质所处的外界条件，通过 增强介质的三阶非线性极化率，也可以使介质的非线性效应得以显著增强，这 种方法逐渐成为增强介质非线性效应的主要手段。 近年来，随着量子光学的发展，使得通过增强介质的三阶非线性极化率来 增强介质的非线性效应成为可能。1 9 9 0 年，s e h a r r i s 等基于三能级系统中的 电磁感应透明效应( e i t ) ，从理论上分析了介质的三阶非线性极化率可以实现 共振增大【1 。3 5 1 ，这种非线性效应被称为巨克尔非线性( g i a n tk e r rn o n l i n e a r i t i e s ) 。 在随后的工作中，越来越多的介质被发现可以基于电磁感应透明效应实现非线 性极化率的增科1 3 6 ，1 3 7 1 。随着研究的深入，2 0 0 3 年，h o o n s o ok a n g 等在低光强 下，实验观测到了强的克尔非线性效应【1 3 引，这为研究巨非线性效应打下了很好 的基础。由于电磁感应透明效应只能在低温条件下实现，一般使用气体实现， 实验条件要求比较苛刻，限制了其使用范围，室温固态条件下的三阶非线性效 应增强也是慢光的研究目标之一。 7 第一章光群速调控及光群速凋控的意义 第三节本论文的研究内容 本论文的工作以基于非简并二波耦合效应的光群速调控工作为基础，系统 地研究了类非简并二波耦合效应作用在红宝石晶体和掺r 6 gp m m a 等非线性材 料中的光群速调控。主要内容有以下四个方面： 1 介绍了光群速的基本概念；综述当前光群速调控的研究进展情况及研究光群 速调控的意义。 2 以非简并二波耦合效应( n d t w c ) 实现光群速调控和红宝石晶体中基于粒 子相干布居数振荡效应( c p o ) 实现自泵浦光群速减慢的代表性工作为基础， 介绍了我们在红宝石晶体中实现光群速调控的实验结果，不但实现了自泵浦 光群速减慢，同时也实现了自泵浦光群速加快；提出了类非简并二波耦合效 应( n d t w c 1 i k e ) ，并利用此效应对我们的实验结果做出了合理的解释；实 验上证明了红宝石晶体中类非简并二波耦合效应的存在。 3 分析了红宝石晶体用于实现光群速调控的缺点，然后介绍掺r 6 gp m m a 替 代红宝石晶体用于光群速度调控的实验工作，纯p m m a 中对比实验结果支 持了类非简并二波耦合效应可以应用于存在非简并二波耦合效应的介质中 来实现光调控群速的推测。 4 对本论文的工作进行了总结，分析了存在的问题和不足之处，提出了可能的 解决问题的方法，以期完善这方面的工作。 8 第二章红宝石中自泵浦光群速调控与类非简并二波耦合 第二章红宝石中自泵浦光群速调控与类非简并二波耦合 本章主要介绍我们在红宝石晶体中的光群速调控的一些主要工作。2 0 0 3 年， m s b i g e l o w 等最先在室温条件下，利用粒子相干布居数振荡效应( c p o ) 在 红宝石晶体中实现了自泵浦光群速减慢【2 ，但是粒子相干布居数振荡效应只能 够实现光群速减慢，不能够实现光群速加快。考虑到红宝石晶体作为饱和非线 性吸收介质，可以存在实现光群速加快的非简并二波耦合效应( n d t w c ) 1 2 2 ，z 引， 能否利用红宝石晶体的这一特性实现光群速加快则成为我们研究的主要内容。 第一节粒子相干布居数振荡与红宝石中自泵浦光群速减慢 光谱烧孔效应【2 4 】，是在某些介质中，存在着一组能级，包含一个基态与一 个激发态，在其间有一个介稳态能级，当有入射光将电子由基态激发至激发态 时，受激发的电子会在几个皮秒( 1 0 1 2 s ) 的时间内跃迁到介稳态，在经过约