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新型非线性光学材料研究
图4.2.1 一维、二维、三维光子晶体周期结构示意图
4.2.1 光子晶体增强非线性效应光学的原因
光子晶体具有光子禁带特性、光子局域效应、抑制自发辐射效应（purcell effect）、偏振特性等，而光子局域效应被认为是增强介质非线性的主因。John在1987年提出：如果在光子晶体内引入某种程度的缺陷，则与缺陷态的频率吻合的光子有可能被局限在缺陷位置，一旦偏离之，光就迅速衰减。光子局域态的形状和特性由缺陷的属性决定，点缺陷就像被全反射墙包围起来，利用点缺陷可以把光俘获在特定位置，光无法从该位置向任何方向传播，形成一个相当于微腔的光能量密度共振场；线缺陷的行为类似于波导管，只可以沿线缺陷的方向传播。
图4.2.2 （a）线缺陷；（b）点缺陷的结构示意图
提高非线性光学效应的方法除了提高激光光强、改进材料非线性系数外，还可以采用增长激光与物质作用的距离、提高光场强密度等方法。普通晶体中，光只能一次性直接通过介质，因此许多介质中的非线性效应低得可以忽略；而对介电常数经周期性调制的光子晶体中引入缺陷结构，由于上面所叙述的光子局域效应，光会被束缚在波长范围量级并在光子晶体中来回反射，这相当于大大增加了激光与非线性光学介质作用的距离，或说局限在内部的光波相互叠加而使有效光强大大增强，得到放大的光学非线性效
第四章 新型微结构非线性光学材料
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应。
4.2.2 用于全光开关的新型非线性光子晶体
光子晶体的诸多特性为全光开关的研制开辟了一个新途径。如图，在二维光子晶体微腔结构中，介电常数大的介质棒周期性排列在低介电常数介质中，在其中引入缺陷；中间介质棒为Kerr非线性介质。入射光照射到光子晶体微腔时，由于光子局域效应引起非线性折射率发生变化，变化大小δn正比于光强，非线性腔的共振频率会发生相对于入射光频率的迁移，可实现光学双稳态的输出[24]。
图4.2.3 利用缺陷模式移动法实现全光开关的二维光子晶体示意图
此外，利用基于三阶非线性光学Kerr效应的光子带隙移动法，人们还获得了一系列超快响应的全光开关。2009年，中科院物理所报道了用聚苯乙烯制备的三维光子晶体制成的低功率全光开关，并实现了10fs的超快时间响应[30]。如图4.2.4（a），对于三阶非线性折射率为正的光子晶体，选择探测光的波长位于光子带隙短波带边，泵浦光波长位于光子晶体导带并远离光子带隙。起初探测光不能通过光子晶体，但在泵浦光作用下由于Kerr效应，线性折射率与泵浦光强成正比，折射率的增大造成光子带隙向长波方向移动，使得探测光波长位于现在的导带并透过光子晶体，这便实现了泵浦光对探测光的开关作用。
同年，北京大学报道了他们用纳米银颗粒掺入聚苯乙烯制成的、用于全光开关的二维光子晶体。由于结合了贵金属颗粒的表面等离激元效应和光子晶体的光子局域效应，他们将聚苯乙烯的χ(3)提高到了10-6esu，其开关功率为超低的0.23MW/cm2。[31] 由于非线性光学材料的响应时间和非线性效应强度是成反比的，研究人员还在有机聚合物材料中
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还掺杂了一定量的有机激光染料，通过分子间激发态电荷转移来提高响应时间。
图4.2.4（a）光子带隙迁移法示意图 图4.2.4（b）掺纳米银颗粒的聚苯乙烯光子晶体
4.2.3 光子晶体光纤的非线性光学效应
光子晶体光纤（PCF：Photonic Crystal Fiber）属于二维光子晶体在纵向上的延伸，由于光子晶体光纤的非线性光学效应十分丰富，且在许多方面都有着极其重要的应用，故此处单独介绍。
普通块状非线性光学材料只在高功率密度激光作用下能产生光学非线性效应，其光与材料相互作用距离很短；传统光纤能使激光与物质相互作用达到几十米，但光纤中的色散使其脉冲变宽、光功率密度下降；光子晶体光纤既能保持激光的相互作用长度，又有色散可控的特性，在产生非线性光学效应上极具有优越性。
图4.2.5 各种光子晶体光纤实例
第四章 新型微结构非线性光学材料
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光子晶体光纤具有无尽单模特性（Endlessly single-mode）、灵活的色散特性、高双折射特性、大模场面积等许多普通光纤所不具有的新的性质，但我们这里主要关心的是它的增强非线性的特性。光纤非线性系数定义为：
??2?n2?Aeff （4-2-1）
其中n2为纤芯材料的非线性折射率系数，Aeff是有效模场面积。光子晶体光纤大体分为实心的全反射导光型（TIR）和空心的光子带隙导光型（PBG）。
在折射率导光型（TIR）光子晶体光纤中，光场可以被高度局限于纤芯周围的一小块区域中，获得比普通光纤小几十倍的有效模场面积Aeff，从而获得比普通光纤大得多的非线性系数，极大地提高了光学非线性的作用的效率。研究表明，增大包层空气填充比就可以增大光纤芯层的折射率和包层折射率之差，从而就能控制光场局部集中的程度。不仅自相位调制（SPM），诸如互相位调制（XPM）、受激拉曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）、光孤子的产生以及四波混频等等非线性效应都会发生。而且当低功率（nJ级的）飞秒激光脉冲在芯中传播时，在很短的长度内就能产生超过两个倍频程以上的非常平坦的超连续光谱，这在相干光断层成像（optical coherence tomography：OCT）、光学频率梳的制备中有着极为重要的意义，利用光子晶体光纤这一特性进行的光学频率梳的发明，使美国人霍尔和德国人亨施于2005年获得了诺贝尔物理学奖[32]。
图4.2.6 光子晶体光纤产生的超连续光谱
光子带隙导光型（PBG）光子晶体光纤是完全利用光子禁带效应实现光导入的。由于纤芯引入了折射率低于包层材料的空气孔缺陷，光脉冲在光子禁带效应约束下只能沿
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空气通道前进。通常人们认为空气传输时材料的吸收、色散、非线性效应都不复存在，PBG导光型光纤抑制了非线性效应，这对于光纤通信中信号的保真极为有利。然而材料的光学非线性并非绝对，当光场足够强时原本认为不是非线性光学材料的物质也能产生显著的非线性极化。
最近英国的研究人员报道了一种新型空芯光子晶体光纤，其纤芯是由交错三角形构成的几何结构，中空处用氢充填。常规的阿秒脉冲的产生基于强光抽运气体得到的高次谐波，中心波长在极紫外或软X射线区；而利用该PCF可以通过简单的受激拉曼散射产生超短阿秒脉冲，其光谱覆盖紫外到中红外，所需光抽运强度比常规方法低6个数量级，且节奏紧凑、耗费很低，在超快光子学方面有很好的应用前景。
图4.2.7 基于kagomne晶格的纤芯结构
§4.3 表面等离激元对非线性光学效应的放大
表面等离激元（surface Plasmon polaritons, SPPs）是局域在金属表面的、一种自由电子和光子相互作用形成的混合激发态。如图所示是金属薄膜界面上、沿x方向传播的SPPs，电场方程可表示为：
Esp?E0exp(ikspx?kzz) （4-3-1） 该式表明表面等离激元在表面处场强最大，而在垂直于金属表面方向是按指数衰减的倏逝波，所以能将场能量局域在很窄的狭层内，场增强效应很强。