[发明专利]利用狄拉克点差频效应实现多方位电磁波低频转换的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于实现电磁波低频转换的方法，属于电磁波或光学变频技术领域。

背景技术

光是一种特定波段的电磁波，以光子的形式携带能量进行传播，它是电磁场的量子，是传递电磁相互作用的传播子。光子的开关速度快、信息容量大、不受电磁干扰、集成度高，使之在光通信、光计算、光学检测等领域具有广泛的应用价值。不同频率光子具有不同的能量，为了实现不同频率光之间的能量交换，人们通常使用各种增益介质，如氦－氖气、红宝石、半导体等，制备不同频率的激光器，并利用高强度激光和非线性光学材料作用进行光频率转换，而这些频率转换方法往往存在装置结构复杂、操作条件苛刻和转换效率低等难以克服的缺点。

光学差频是指不同频率的光波之间进行能量变换，引起频率转换的光学变频现象。当两列频率相近，同向振动，同向传播的平面波叠加，两列波的波函数可分别写为：

E₁(z,t)＝E₀cos(k₁z-ω₁t)和E₂(z,t)＝E₀cos(k₂z-ω₂t+δ₀)，

其中z为位移矢量，t为时间，E₀为振幅，k₁，k₂为两列波的波矢，ω₁，ω₂为两列波的频率，δ₀为两列波的相位差。在任一时刻及位置波场中的合振动可表示为：

式中Δk＝k₁-k₂,Δω＝ω₁-ω₂,

合成波的振幅为

所以合成波的强度可表示为I(z,t)＝A²＝2E₀²[1+cos(Δkz-Δωt-δ₀)]，可以看出这两种频率相近的简谐波叠加时合成波的强度随时间做差频振荡。

差频现象的研究主要集中于声学、电磁学等领域，无线电中经常用差频技术获得所需频率的振荡。目前常用的光学差频方法是将两个频率不同的单色光ω₁和ω₂同时入射到非线性介质，通过二阶非线性的作用产生频率为ω₃＝ω₁-ω₂的非线性极化强度，进而由这个非线性极化强度产生振荡频率为ω₃的光场，要求同时满足相位匹配条件k₃＝k₁-k₂。此方法具有没有阈值、峰值功率高、可调谐范围宽、方案灵活多样等优点。随着全固态激光技术及频率变换技术的发展，该差频方法被广泛应用在产生中、远红外及THz辐射源中，其在光谱分析、材料等领域应该具有较好的应用前景。但实际上，此光学差频方法产生辐射的效率通常低于10^-5，需要通过选择合适的非线性晶体及泵浦源，优化辐射源的设计方案，以进一步提高转换效率和输出功率。另外此差频方法对入射波和出射波方向都有着严格的规定，通常要求同向入射和单向出射，增加了操作和使用的难度。

全介质基光子晶体作为一种新型的人造介质材料以其优良的性能和潜在的科学价值使之成为物理学、光子学、电磁场理论、材料科学、纳米技术非常热门的研究领域。光子晶体的周期性结构能够赋予材料独特的光学特性,通过对其空间结构和介电性质的调制，能够在较大范围内对所传播的电磁波或光波的传输性质进行调控，此外它还具有标度不变性的优点，即只需放大或缩小结构的尺寸，其工作波长按比例随之放大或缩小，而保持传导性能不变。通过对光子晶体的设计，可以使得光子晶体的能带结构在布里渊区的高对称点上出现一个交点，被称之为狄拉克点。位于该点光子晶体的等效介电常数和磁导率都为零，即折射率为零，这意味着光在光子晶体中传播的相位变化为零。本发明就是利用光子晶体狄拉克点差频效应实现了多方位的电磁波低频转换。

发明内容

本发明针对现有激光非线性频率转换方法存在的过程复杂、操作条件苛刻和转换效率低等缺点，利用光子晶体在狄拉克点频率附近的差频效应，提供一种简单灵活、准确高效的实现多方位电磁波低频转换的方法，旨在突破现有光学差频振荡技术所面临的瓶颈。