[2017][note]基于空间交叉相位调制的两个连续波在few layer铋Bi中的全光switch——
前言
类型
太赫兹
+
全光开关
太赫兹 + 全光开关
太赫兹+全光开关
期刊
A
C
S
P
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T
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N
I
C
S
ACS PHOTONICS
ACSPHOTONICS
作者
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Lu Lu, Wenhui Wang, Leiming Wu, Xiantao Jiang, Yuanjiang Xiang, Jianqing Li, Dianyuan Fanand Han Zhang
LuLu,WenhuiWang,LeimingWu,XiantaoJiang,YuanjiangXiang,JianqingLi,DianyuanFanandHanZhang
时间
2017
2017
2017
目录
- 前言
- 铋烯的XPM交叉相位调制
- 开关激光和信号激光的随机传播方向
- 铋烯的强非线性折射效应
- 非线性折射率的调制深度
- 问题
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铋烯的XPM交叉相位调制
（铋烯bismuthene：由块体金属铋剥离而来的二维材料）
该论文中，两光束的传播方向略有不同
将石英试管的厚度10mm，与样品和屏幕之间的距离600mm进行比较，可以认为样品中的传播方向相同
（石英试管对光的折射方向弯折不大）
随着传播路径的增加，两个激光束分离
根据实验，观察到的现象肯定是交叉相位调制，而不是自相位调制SPM
自相位调制SPM：
由于光纤的折射率具有非线性特性，当光纤中电场强度变化时光纤的折射率随着变化，光纤中传输的信号相位也变化，
信号自身场强的变化引起自身相位的变化
E ⇒ 折射率 ⇒ 相位 E\Rightarrow 折射率 \Rightarrow 相位 E⇒折射率⇒相位
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如果每个光束经历自相位调制，则衍射环数不会受到影响
下图中，利用两个激光束在样品中传播，没有重叠。发现信号激光633nm没被开关激光532nm调制
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开关激光和信号激光的随机传播方向
绿光和红光的方向取决于实际实验，这有利于CCD在相同水平高度接收信号
很明显，方向是随机的？
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铋烯的强非线性折射效应
该论文通过CCD检测了两个连续激光束（532nm和633nm）的衍射环形成时间
（上面三个是532nm衍射环，下面三个是633nm衍射环）
\;
当衍射环的数量和半径达到最大值时，SPM的形成过程终止
该论文的实验中，532nm的形成时间为0.26s，633nm的形成为0.35s
入射能量越高，形成时间越短，环数越多，衍射环半径越大
该论文还研究了非线性效应对激光强度和波长的依赖性，随着激光功率的增加，可以观察到更多的环
\;
当高功率激光束通过随机介质时，折射率为
n
=
n
0
+
n
2
I
n = n_0 + n_2 I
n=n0+n2I
其中
n
0
n_0
n0是线性折射率，
n
2
n_2
n2是非线性折射率
激光通过铋烯悬浮液时的相移为
Δ ψ = 2 π n 0 λ ∫ 0 L e f f n 2 ⋅ I ( r , z ) d z \Delta \psi = \frac{ 2\pi n_0 }{\lambda} \int_0^{L_{eff}} n_2 \cdot I(r,z) dz Δψ=λ2πn0∫0Leffn2⋅I(r,z)dz
其中 λ \lambda λ是 波长， r r r是径向位置， L e f f L_{eff} Leff是有效光传播长度
在该论文的实验中，相移与环数有关： Δ ψ ( 0 ) − Δ ψ ( ∞ ) = 2 N π \Delta \psi(0) - \Delta \psi(\infty) = 2N \pi Δψ(0)−Δψ(∞)=2Nπ
三阶非线性极化率 χ t o t a l ( 3 ) \chi_{total}^{(3)} χtotal(3)被定义来测量材料的非线性，由于环数和强度的斜率，纳米薄片的 χ t o t a l ( 3 ) \chi_{total}^{(3)} χtotal(3)被估计为
χ t o t a l ( 3 ) = c λ n 0 2.4 × 1 0 4 π 2 ⋅ L e f f ⋅ d N d I \chi_{total}^{(3)} = \frac{c \lambda n_0}{ 2.4 \times 10^4 \pi^2 \cdot L_{eff} } \cdot \frac{dN}{dI} χtotal(3)=2.4×104π2⋅Leffcλn0⋅dIdN
χ t o t a l ( 3 ) = χ m o n o l a y e r ( 3 ) ⋅ N e f f 2 \chi_{total}^{(3)} = \chi_{monolayer}^{(3)} \cdot N_{eff}^2 χtotal(3)=χmonolayer(3)⋅Neff2
其中 N e f f N_{eff} Neff是单层的有效量
另外，还可以通过改变光子能量计算归一化吸收
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非线性折射率的调制深度
定义调制深度为 Δ n 2 ∑ n 2 \dfrac{\Delta n_2}{\sum n_2} ∑n2Δn2，为了研究开关光对非线性折射率的影响
其中
Δ
n
2
\Delta n_2
Δn2是开关光引起的非线性折射率增量
∑
n
2
\sum n_2
∑n2是开关光和信号光的非线性折射率之和
该论文理论都基于电子相干和叠加原理
1.没有开关光时，信号光引起的非线性折射率为
n 2 − s i g n a l = λ s i g n a l ⋅ N s i g n a l 2 n 0 − s i g n a l ⋅ L e f f − s i g n a l ⋅ I s i g n a l n_{2-signal} = \frac{ \lambda _{signal} \cdot N_{signal} }{ 2 n_{0 - signal } \cdot L_{eff-signal} \cdot I_{signal} } n2−signal=2n0−signal⋅Leff−signal⋅Isignalλsignal⋅Nsignal
2.有开关光时，信号光引起的非线性折射率为
n 2 − s i g n a l ′ = λ s i g n a l ⋅ ( N s i g n a l + N s w i t c h ) 2 n 0 − s i g n a l ⋅ L e f f − s i g n a l ⋅ ( I s i g n a l + I s w i t c h ) n'_{2-signal} = \frac{ \lambda _{signal} \cdot (N_{signal} + N_{switch} ) }{ 2 n_{0 - signal } \cdot L_{eff-signal} \cdot (I_{signal} + I_{switch}) } n2−signal′=2n0−signal⋅Leff−signal⋅(Isignal+Iswitch)λsignal⋅(Nsignal+Nswitch)
3.开关光调制的信号光的非线性折射率为
Δ n 2 − s i g n a l ∑ n 2 − s i g n a l = n 2 − s i g n a l ′ − n 2 − s i g n a l n 2 − s i g n a l ′ = 1 − ( λ s i g n a l ⋅ N s i g n a l 2 n 0 − s i g n a l ⋅ L e f f − s i g n a l ⋅ I s i g n a l ) / ( λ s i g n a l ⋅ ( N s i g n a l + N s w i t c h ) 2 n 0 − s i g n a l ⋅ L e f f − s i g n a l ⋅ ( I s i g n a l + I s w i t c h ) ) \frac{\Delta n_{2-signal}}{\sum n_{2-signal}} = \frac{ n'_{2-signal} - n_{2-signal} }{n'_{2-signal}} \\ =1 - (\frac{ \lambda _{signal} \cdot N_{signal} }{ 2 n_{0 - signal } \cdot L_{eff-signal} \cdot I_{signal} } ) / (\frac{ \lambda _{signal} \cdot (N_{signal} + N_{switch} ) }{ 2 n_{0 - signal } \cdot L_{eff-signal} \cdot (I_{signal} + I_{switch}) } ) ∑n2−signalΔn2−signal=n2−signal′n2−signal′−n2−signal=1−(2n0−signal⋅Leff−signal⋅Isignalλsignal⋅Nsignal)/(2n0−signal⋅Leff−signal⋅(Isignal+Iswitch)λsignal⋅(Nsignal+Nswitch))
从上式可以得知，当信号光强度小于阈值时，调制深度等于1
在该论文中，阈值强度意味着激光通过样品传播后没有衍射环
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★ \bigstar ★开关光非线性折射率的调制深度为
Δ n 2 − s w i t c h ∑ n 2 − s w i t c h = n 2 − s w i t c h ′ − n 2 − s w i t c h n 2 − s w i t c h ′ = 1 − ( λ s w i t c h ⋅ N s w i t c h 2 n 0 − s w i t c h ⋅ L e f f − s w i t c h ⋅ I s w i t c h ) / ( λ s w i t c h ⋅ ( N s i g n a l + N s w i t c h ) 2 n 0 − s w i t c h ⋅ L e f f − s w i t c h ⋅ ( I s i g n a l + I s w i t c h ) ) \frac{\Delta n_{2-switch}}{\sum n_{2-switch}} = \frac{ n'_{2-switch} - n_{2-switch} }{n'_{2-switch}} \\ =1 - (\frac{ \lambda _{switch} \cdot N_{switch} }{ 2 n_{0 - switch} \cdot L_{eff-switch} \cdot I_{switch} } ) / (\frac{ \lambda _{switch} \cdot (N_{signal} + N_{switch} ) }{ 2 n_{0 - switch} \cdot L_{eff-switch} \cdot (I_{signal} + I_{switch}) } ) ∑n2−switchΔn2−switch=n2−switch′n2−switch′−n2−switch=1−(2n0−switch⋅Leff−switch⋅Iswitchλswitch⋅Nswitch)/(2n0−switch⋅Leff−switch⋅(Isignal+Iswitch)λswitch⋅(Nsignal+Nswitch))
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问题
为什么每个光束都经历自相位调制后，衍射环数没有变化？
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