论文总字数：19991字

摘 要

非互易性是广泛存在于自然界材料中的一种性质，非互易效应是指波在介质中沿相反的两个方向传输会呈现不同的传播过程，传输损耗、波的相位等均会产生不同的变化。

在非线性光学中，带缺陷的一维光学超晶格结构已经被用来实现二次谐波的非互易传输效应。本文旨在研究非线性差频过程中的非互易效应，首先从非线性差频严格耦合方程出发讨论输出闲置光场的解析解，并将其与数值计算结果相比较，匹配得很好。此外，本文从解析解和数值计算的角度讨论了非互易性参数的作用及其相应的实现条件，探讨非互易性参数随晶体总长，第一段晶体长度，缺陷相移等参数的变化情况。最后，通过具体的结构设计实现任意非互易性的差频输出，这在全光隔离和全光通信等领域都有着广阔的应用前景。

关键词：非互易效应 差频 非线性光学 准相位匹配

Research on the non-reciprocal effect in the process of nonlinear difference frequency

Abstract

Non-reciprocity is a property that widely exists in natural materials. Non-reciprocity effect means that waves propagating in opposite directions in the medium will exhibit different propagation processes, and transmission loss, wave phase, etc. will all occur. Different changes.

In nonlinear optics, the one-dimensional optical superlattice structure with defects has been used to achieve the non-reciprocal transmission effect of the second harmonic. This paper aims to study the non-reciprocal effects in the process of nonlinear difference frequency. First, the analytical solution of the output idle light field is discussed from the strictly coupled equation of nonlinear difference frequency, and compared with the numerical calculation results, it matches well. In addition, this paper discusses the role of non-reciprocity parameters and their corresponding implementation conditions from the perspective of analytical solutions and numerical calculations, and discusses the changes of non-reciprocity parameters with the total crystal length, the length of the first crystal, and the phase shift of defects Happening. Finally, through the specific structural design to achieve any non-reciprocal difference frequency output, this has broad application prospects in the fields of all-optical isolation and all-optical communication.

Keywords: non-reciprocal effect; difference frequency; nonlinear optics; quasi-phase matching

目录

第一章 绪论1

1.1 引言1

1.2 非线性光学简述1

1.3 非互易效应简述2

1.4 研究内容介绍3

第二章 差频过程研究4

2.1 差频过程的理论分析4

2.2 非线性光学晶体研究4

第三章 对差频过程中的非互易效应研究8

3.1 一维光子晶体中的差频非互易效应研究8

3.2 解析解的分析与验证15

第四章 总结与展望23

参考文献24

致谢26

1. 绪论

1.1引言

对称是自然界中客观存在的性质，对称性常出现于自然科学、美学、哲学等领域。在自然科学领域中，电磁波，声波等在介质中的正向传播与反向传播起初被认为是对称的，但事实并非如此，它们在一些特殊情况正向与反向传播并不能得到相同结果，我们称这种“不对称”为非互易性。这种非互易性随后被学者们关注并研究，其中非互易效应在一些学科中已将被视为该学科的理论基础，诸如半导体物理，非线性光学、声学、热学等。人类在自然科学中对非互易性开展研究的近一个世纪里出现了许多在理论与实践方面的成果，并且这些成果已经在人类工程技术方面被广泛应用，诸如电二极管等设备。也因为如此，非互易性成为功能材料研究领域的重要方向，其广泛的应用范围、丰富的可研究内容、神奇的现象、深刻的学科理论也在不断吸引更多研究者进入这一领域。根据洛伦兹互易定理，光传输过程通常是可逆的。在光学领域实现非互易性是很困难的。但是经过几十年的发展其理论基础已经较为成熟，近年来人们想到了一些办法实现光的非互易，如2011年，Liang等人设计出了金属-硅波导系统，实现了光在硅光片上的非互易传输^[1]。又如2001年，Krishnan通过在准相位匹配的光学超晶格中引入了一段缺陷从而实现了差频传播的非互易,并利用这种结构在实验上得到了90%的非互易性^[2]。

非线性光学领域，在铌酸锂条形波导中嵌入缺陷制成的全光二极管被证明具有非互易效应^[3]。准相位匹配（QPM）^[4-5]技术的应用也有助于实现光的隔离，得益于此我们可以得到具有较大的非互易参数，使得一些研究得以实现。因此，准相位匹配技术已成为研究非线性光学的一个必不可少的研究手段，而且它的特性使它可以实现在其他系统中难以实现的现象。无论是在理论领域还是实践领域，非线性光学都拥有极大的应用前景。例如利用各种非线性晶体光电二极管和各种信号的调制。人们对非互易性的研究与应用仍有很大的发展空间。尤其是在非线性光学中的非互易性方面。

1.2非线性光学与差频理论简述

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