[发明专利]一种非线性效应放大和探测电子超快过程的方法

权利要求书

1.一种非线性效应放大和探测电子超快过程的方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1、初步选定包含非线性材料的光子晶体系统；引入相对强度弱的超短信号脉冲和相对强度强的超短泵浦脉冲，两者强度相差至少一个量级；其中，来自外部的低强度信号脉冲和高强度泵浦脉冲从不同光路到达光子晶体，两者均为高斯调制脉冲、相同的中心频率3.75×10¹⁴Hz和相同的脉冲时间长度6fs；在该光子晶体中，信号脉冲的驻留时间为60fs，即泵浦脉冲时间长度明显小于信号脉冲在光子晶体中的驻留时间；超短泵浦脉冲是用于激发材料的非线性，即在某段时间内改变材料介电常数或磁导率；

步骤2、探测并记录超短信号脉冲的透射场或反射场；在时域观察信号脉冲的透射场或反射场，由多个脉冲组合而成，这是由于信号脉冲在光子晶体中受到多次散射所致，把它们分为一阶脉冲和高阶脉冲，一阶脉冲就是原始信号脉冲经过散射后的剩余部分，高阶脉冲包含二阶脉冲、三阶脉冲、四阶脉冲，是由于多次散射产生的；经过傅里叶变换，获得信号脉冲在某个频率的透射率或反射率；在无泵浦脉冲时，选取光子晶体某个“低透射率或低反射率”的频率作为关注频率；所观察到的低透射率或低反射率，是由于一阶脉冲与高阶脉冲在特定频率上的“相干相消”所造成的；

步骤3、改变“信号脉冲与泵浦脉冲到达的时间差”，每改变一次时间差，就是确定一种实验状态，对于每一种实验状态，分别测量超短信号脉冲的透射场或反射场；通过改变时间差来实现多个实验状态，通过测量透射场或反射场，得到每种状态下的信号脉冲在所关注频率的透射率或反射率，最终获得信号脉冲在所关注频率的透射率或反射率随时间差变化的曲线，即“透射率变化vs泵浦时间”曲线；在选取的关注频率，观察到透射率或反射率随时间差的变化而出现显著变化，即在某些特定时间差的区间，透射率或反射率会出现显著增加；

步骤4、由于介电常数或磁导率的非线性变化是由于非线性材料内部的电子过程决定的，电子体系的过程参量就会影响“非线性变化vs时间”的曲线；改变非线性材料内部电子体系的过程参量和脉冲参数，分别重复步骤1-步骤3，得到“不同电子体系情况下”的“透射率变化vs泵浦时间”曲线；

步骤5、基于步骤4获得“不同电子体系情况下”的曲线，观察曲线特征随体系内部电子体系过程参量的变化规律，并以此为定标，根据“实际得到的曲线”来反推体系内部的电子体系过程参量，从而获取电子内部超快过程的参量信息。

2.根据权利要求1所述的非线性效应放大和探测电子超快过程的方法，其特征在于，步骤1中，所述的非线性材料为一种或多种三阶非线性材料、二阶非线性材料和其他可以被外电磁场调控的非线性材料；所述的光子晶体包含各种晶格类型、晶格常数、填充比、单个原胞内的结构形状和结构参数；所述的超短信号脉冲、超短泵浦脉冲包括高斯脉冲、调制高斯脉冲，涉及不同的脉冲参数：脉冲时域及频域范围、脉冲强度。

3.根据权利要求1或2所述的非线性效应放大和探测电子超快过程的方法，其特征在于，步骤3中，对于低透射率情况的透射场，在特定时间进行泵浦，一阶脉冲和高阶脉冲之间的“相干相消”被显著破坏，从而导致透射率大幅上升，其中：（i）一阶脉冲开始离开系统之前进行泵浦，透射率没有明显变化；（ii）在一阶脉冲刚刚开始离开体系之后进行泵浦，透射率开始出现明显升高；（iii）当“在一阶脉冲恰好完全离开体系时”进行泵浦，透射率达到最大值，是整个曲线的主峰；（iv）继续进行泵浦，透射率比最大值开始缓慢下降；在二阶、三阶脉冲离开体系时，有对应的小峰。

4.根据权利要求3所述的非线性效应放大和探测电子超快过程的方法，其特征在于，步骤4中，所述的非线性材料内部的电子过程包括二能级、三能级、四能级和能带电子体系中的电子激发、衰减等任何可以影响材料介电常数、磁导率的内部电子过程；所述的电子体系的过程参量包括电子过程的响应时间和弛豫时间，电子体系各能级的寿命，响应时间和弛豫时间的尺度包括飞秒或阿秒量级的时间尺度。

5.根据权利要求1所述的非线性效应放大和探测电子超快过程的方法，其特征在于，步骤5中曲线特征包括透射率最大值、透射率下降快慢、小峰的位置和高度。