[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

说明书

本发明属于光子晶体非线性调制技术领域，具体为一种非线性效应放大和探测电子超快过程的方法。本发明方法包括：选定包含非线性材料的光子晶体系统，选取某个低透射率的频率，选取超短的泵浦和信号脉冲，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，通过控制泵浦脉冲在某些特定时间到达，从而放大非线性调制效应，并且可以观察非线性材料内部电子超快过程。本发明方法所产生的透射率显著变化是一种新“动态调制机制”造成的；只有在特定时间进行泵浦，该相位会破坏透射场一阶脉冲与高阶脉冲之间的“相干相消”，从而导致透射率大幅上升。本发明方法都具有普适性，对材料参数、光子晶体或多散射体系统的组成、结构参数等并不敏感。

技术领域

本发明属于光子晶体非线性调制技术领域，具体涉及光子晶体或多散射体系统中放大非线性效应和探测电子内部超快过程的方法。

背景技术

光子晶体是一种介电常数周期性变化的、具有丰富的色散效应和光子带隙的人工制造的新型光子学材料，其特性是具有光子能带和光子带隙。当单频入射光频率落在光子带隙内时，光无法通过无限大光子晶体，但是，对于有限大小的光子晶体，即使单频入射光频率在光子带隙中，仍然会有一定的透射率。一般来说，如果光子晶体厚度很薄，透射率就会较高，而随着光子晶体厚度增加，透射率会快速减小。该透射率随厚度减小的原因是由于布拉格散射造成的，确切地说，首先，布拉格散射造成原始入射波被散射到各个方向逐渐减少，但这并不是主要原因，核心原因是多次布拉格散射的散射波会与原始入射波形成“相干相消”效应，使得“总的前向传播波”大幅减弱，从而透射率大幅下降（同时，在后向，散射波会“相干相加”，造成反射率会越来越强）。目前，光子晶体与非线性效应相互作用的研究热点方向之一，普遍是基于泵浦光作用于非线性材料构成的光子晶体产生非线性效应，来实现某些特定频率透射率的变化，从而可以作为各种器件（开关、逻辑门等等）来应用。目前，不论是脉冲泵浦或持续光泵浦，“光子能带和带隙漂移”机制是广泛认可的机制，该机制的核心思想是，由于泵浦光提前改变了光子晶体的介电常数或磁导率，光子晶体保持这种状态，造成光子能带和带隙持续的漂移，从而造成入射光的透射率（反射率）出现明显变化。但是，当泵浦脉冲的时间明显短于信号脉冲在光子晶体中的驻留时间时，上述机制明显是自相矛盾的，因为泵浦脉冲只在极短的时间（相对信号脉冲的驻留时间）内改变了光子晶体性质，根本不能认为“光子晶体能带和带隙持续的漂移了”，实际上，还有很多现象都与“光子晶体能带和带隙漂移”思想相互矛盾。

这里就有一个重要的非线性调制新机制问题，该新机制与传统的“静态的能带漂移后，再被信号光感受到”的思想完全不同，是一种动态调制的机制。实际上，光子晶体只是多散射体系统的一个特例，各种复杂或简单的多散射体系统，复杂系统例如是准晶或无序系统，简单的如单纯的法布里-珀罗腔（F-P腔），都可以进行类似的非线性动态调制。如果能够通过对该新机制的揭示和利用，就可以大大提高人们对光子晶体或其他多散射体系统和非线性动态调制的深入理解。人们就可以根据该新机制进行准确的非线性调控，并可以基于该新机制得到“非线性效应放大”和“对材料内部电子过程进行观察”的新方法。更进一步，可以基于该新机制进行多种器件设计，例如非线性开关、逻辑器件、记忆元件、连续频谱强度调制和电子飞秒/阿秒超快过程的检测等等，从而产生广泛的实用价值。

发明内容

本发明的目的在于设计一种基于超快非线性动态调制过程的非线性效应放大和探测电子超快过程的新方法。

本发明提供的非线性效应放大和探测电子超快过程的方法，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或多散射体系统（即多个散射体组成的其它系统）。引入相对强度弱的超短信号脉冲和相对强度很强的超短泵浦脉冲，两者强度相差至少一个量级，泵浦脉冲时间长度要求明显小于信号脉冲在光子晶体或多散射体系统中的驻留时间，一般来说，信号脉冲与泵浦脉冲的时间长度为脉冲中心频率对应周期的1.5-2.5倍（优选2倍）。两个脉冲沿不同路径到达光子晶体或多散射体系统。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；