光子晶体中的非线性光学现象

光子晶体是具有规则纳米结构的光学材料，通常以折射率的重复变化为特征。研究光与物质之间高度特殊的相互作用，特别是当入射光导致光子晶体的光学特性发生变化时，属于非线性光学的范畴。要研究这种导致光子晶体光学特性变化的相互作用，需要高强度的发射介质，如高能激光。

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非线性光学现象简介
标准的非线性光学过程包括两个主要阶段。首先，高强度相干光激发介质中的非线性反应，随后，这种发生变化的介质对光学辐射产生非线性影响。

非线性光学》一书中有关非线性光学现象的章节指出，在光子晶体等任何介质中，光场都是以麦克斯韦方程为特征的，其中包含非线性偏振。值得注意的是，所有介质，尤其是光子晶体，本身都具有一定程度的非线性，但这些非线性耦合系数通常非常小，而且可以通过应用足够强的光辐射进行放大。

非线性光学现象如何影响光子晶体的特性？
光子晶体 (PC) 是一种介电常数具有规则变化的结构材料，其产生的限制频率范围被称为光子带隙 (PBG)，类似于半导体中的电子带隙。将非线性引入光子晶体可对光的传播进行动态控制。

在光子晶体中加入非线性元素为设计全光器件提供了可能。其中尤为重要的是克尔非线性，它涉及光子晶体折射率的改变，对超高速设备极具价值。克尔非线性最初被用于制造二维光学开关。

此外，一项著名的研究成果是使用有限差分时域（FDTD）方法计算模拟的全光开关。它基于克尔效应和由砷化镓制成的非线性光子晶体（PC）微腔。为模拟光子晶体内的非线性现象，可采用多种方法，包括有限差分时域法 (FDTD)、有限元法 (FEM)、平面波展开法 (PWE) 和万尼尔函数法 (WFM)。

非线性光学现象： 增强光子晶体微谐振器
自非线性光学诞生以来，光学谐振器一直被用来放大非线性光学现象，包括频率转换过程。基于非线性光子晶体的微型谐振器为增强各种非线性光学过程提供了独特的基本方法。这种放大作用大大提高了基于非线性光子晶体的光学器件的效率，使其工作功率水平和开关时间成为开发现实的超快集成系统的实用方法。

在光子晶体的理论和实验研究中，基于光子晶体的空腔已被用于展示双稳态属性的增强过程。光子晶体（PhC）微空腔尤其适合于从几何角度增强非线性效应。此外，基于光子晶体的微腔的光学双稳态性可以作为能够执行全光学逻辑运算的复杂设备的基础。

胶体光子晶体中的非线性光学现象
除了制造和技术方面的限制外，胶体光子晶体还为研究光在周期性材料中的传播物理提供了一个极好的框架。胶体光子晶体还是一个经济上可行的平台，可为非线性光学研究的发展提供宝贵的见解。

来自比利时的研究团队在《化学评论》（Chemical Reviews）上发表了一篇论文，讨论胶体光子晶体的光学非线性特性。三维胶体光子晶体由规则排列的均匀胶体颗粒组成，形成重复图案。这种结构可被视为晶体，胶体通常被称为介电原子。

要更简单地理解光子带隙峰值，可以将其想象为光的建设性和破坏性干涉产生的衍射峰值。光子晶体中的这些干涉是由于来自不同晶面的多次反射和折射造成的。

然而，研究人员发现，与仅仅基于光的衍射和反射的解释相比，使用态密度形式主义为研究周期性介质中的波传播提供了一种更直接的方法。

光子晶体中的二阶非线性光学现象
2020 年科学与工程技术国际会议进展》（ASET）上发表的一篇文章解释了光子晶体中出现的二阶非线性光学现象。要在光子晶体中增强非线性效应，必须要有一种具有很大非线性感度（χ(2)）的材料，这通常与非中心对称材料有关。

非线性可感性（χ(2)）描述了光子晶体对强光的非线性响应，通常是在较高强度下。它具体涉及光子晶体与光电场之间的二阶非线性相互作用。不具有对称中心的材料被称为非中心对称材料。在这些材料中，电荷或电子密度的分布是不对称的，因此能够产生非线性。

材料科学家精心设计光子晶体的结构，以实现不同频率波之间的相位匹配。这种相位匹配通常通过调整光子晶体的周期性排列来实现，从而优化非线性相互作用。这种优化的结果是在所需波长范围内产生二次谐波或光子晶体的参量放大等效应。
参考资料

Y. Benachour (2020). Nonlinear Optics of Photonic Crystals. 2020 Advances in Science and Engineering Technology International Conferences (ASET). 1-8. 19727433. Available at: https://www.doi.org/10.1109/ASET48392.2020.9118251

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作者：Ibtisam Abbasi