CN108535794B - 基于电磁超表面和有源介质的光存储器 - Google Patents

基于电磁超表面和有源介质的光存储器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁超表面和有源介质的光存储器。该光存储器以折射率n1较高的透明平板为基质，结合光在电磁超表面(B和F位置)的负反射来构建闭合光路A‑B‑C‑D‑E‑F‑A；再利用光在方形低折射率n2(＜n1)有源介质表面(D位置)全反射增强来补偿光损耗；最后，采用折射率n3可变的薄膜和折射率固定的三棱镜(A位置)来选择光损耗完全补偿的闭合光路，并实现光的输入、存储和输出。本发明能够完全补偿光损耗，实现光的长时间存储。

Description

基于电磁超表面和有源介质的光存储器
技术领域
本发明属于电磁(超)材料和光学领域，具体涉及利用电磁超表面和有源介质来实现光的长时间存储。
背景技术
光停留和光存储是非常有吸引力的技术，可应用于非线性光学、光捕捉和(量子)光信号处理等领域。存储时间是光存储器应用于光信息处理时的一个重要指标。迄今为止，已经实现长达1分钟的光停留时间。常见的方法，或者由于电子在高能级寿命有限，或者由于能量损耗，都有不太大的存储时间上限，这往往会阻碍它们的实际应用。
实现光停留的一种有效方法是让光进入一闭合路径，不再沿特定方向传播,滞留在有限大小的区域内。最近,使用以负折射率超材料为内核的轴向异质结构，来形成双光锥回路，达到光停留目的方法的提出，激发了研究人员采用电磁超材料来设计室温下光捕获新方案的热情。超材料通常是有损耗的,捕获的光会以指数形式衰减。已经提出利用有源超材料来克服能量损耗问题。但是,仍然需要发展可行途径来补偿损耗的能量,从而实现长时间的光存储。
电磁超表面作为一种电磁超材料,已经引起人们的广泛关注。电磁超表面具有独特的电磁特性，在波形调整、波束扫描天线和移相器等方面有潜在的应用前景。利用电磁超表面可产生光的负折射、负反射等新颖的传播行为，为光学仪器的设计提供了极大的灵活性，有望用于实现光信号的捕获、存储和释放。另一方面,研究表明,在有源介质表面的全反射光可以被放大。这些研究为采用电磁超表面和有源介质构建具有能量补偿功能的闭合光路、实现长时间光存储提供了可能性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有光存储技术存储时长有限的不足，提供一种具有光损耗完全补偿功能的装置,原则上可以实现光的永久存储。
基于电磁超表面和有源介质的光存储器主要包括透明平板、两个电磁超表面、有源介质、折射率可变薄膜和三棱镜等部分，如图1所示。
首先，以一定厚度h1且折射率n1较高的透明平板为基质，取图-1所示的坐标系，选择相位梯度满足条件的电磁超表面贴敷在B位置；相位梯度满足条件的电磁超表面贴敷在F位置，其中,λ为所选用的光的波长，θ1为光线在A处的反射角，θ2为光线在B处的反射角；由上述A、B、D、F四个位置，结合透明平板下表面两边的C和E两个位置，结合光在电磁超表面的负反射来构建一组闭合光路A-B-C-D-E-F-A，如图1和2所示。
接着，利用光在有源介质表面(D位置)全反射R增强来补偿光损耗。假设光在闭合路径的单周损耗因子为δ，调节有源介质的厚度h2和折射率n2，可得到满足损耗补偿关系fmax(θ2,n1,n2,h2)≡|R|+exp(-δ)-2＝0的θ2，亦即，光损耗完全补偿的闭合光路。
最后，采用折射率可变薄膜和三棱镜(A位置)来选择光损耗完全补偿的闭合光路，并实现光的输入、存储和输出，如图3(a)、3(b)和3(c)所示。
本发明能够完全补偿光损耗，实现光的长时间存储。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明装置中可能形成的一组闭合光路。
图3(a)是改变折射率可变薄膜的折射率n3，来调节光进入平板的角度θ1，选择光损耗完全补偿的闭合光路(θ2＝atan(0.5tanθ1))，并实现光输入。图3(b)快速减小折射率n3，满足使光在A处全反射，再关闭输入光，实现光存储。图3(c)快速增加折射率n3，满足实现光输出。
图4是满足关系式的电磁超表面相位梯度-角度θ2关系曲线。
图5是在θ2＝42.6°处TE波满足损耗补偿关系fmax(θ2,n1,n2,h2)≡|R|+exp(-δ)-2＝0的曲线。其中，插图为40°＜θ2＜45°段的放大。
具体实施方式
以下结合附图具体详细说明本发明的技术方案。
基于电磁超表面和有源介质的光存储器主要包括透明平板、两个电磁超表面、有源介质、折射率可变薄膜和三棱镜等部分，如图1所示。
首先，以一定厚度h1且折射率n1较高的透明平板为基质，选择相位梯度满足条件的电磁超表面贴敷在B位置；相位梯度满足条件的电磁超表面贴敷在F位置，结合光在电磁超表面的负反射来构建一组闭合光路A-B-C-D-E-F-A，如图1和2所示。
接着，利用光在有源介质表面(D位置)全反射R增强来补偿光损耗。假设光在闭合路径的单周损耗因子为δ，调节有源介质的厚度h2和折射率n2，可得到满足损耗补偿关系fmax(θ2,n1,n2,h2)≡|R|+exp(-δ)-2＝0的θ2，亦即，光损耗完全补偿的闭合光路。
最后，采用折射率可变薄膜和三棱镜(A位置)来选择光损耗完全补偿的闭合光路，并实现光的输入、存储和输出，如图3(a)、3(b)和3(c)所示。
透明平板材质为低损耗高折射率的钡火石玻璃，光波长λ＝1.55μm时，折射率可取为n1＝2.0。平板厚度取为h1＝40λ＝42μm。
电磁超表面采用纳米金棒/介质层/金反射层结构，相位梯度---角度θ2关系曲线如图4所示。结合光在电磁超表面的负反射，形成多个闭合光路，如图1和2所示。
采用低浓度掺铒石英为有源介质，通过调整泵浦源---半导体激光器的输出功率来控制有源介质的有效折射率n2。假设光在闭合路径的单周损耗因子为δ＝0.05，则可选取有源介质的厚度为h2＝1λ、折射率为n2＝1.6-j1.1×10-3，得到在θ2＝42.6°处TE波满足损耗补偿关系fmax(θ2,n1,n2,h2)≡|R|+exp(-δ)-2＝0的曲线，如图5所示。
采用折射率可变(1.5＜n3＜1.7)的磁流体薄膜和三棱镜，改变薄膜折射率n3，调节光进入平板的角度θ1，选择光损耗完全补偿的闭合光路(θ2＝atan(0.5tanθ1)＝42.6°)，并实现光输入(见图3(a))。快速减小薄膜的折射率n3，满足使光在A处全反射，关闭输入光，实现光存储(见图3(b))。快速增加薄膜的折射率n3，实现光输出(见图3(c))。

Claims (1)

1.基于电磁超表面和有源介质的光存储器，其特征在于，该光存储器包括透明平板、两个电磁超表面、有源介质、折射率可变薄膜和三棱镜；两个电磁超表面对称地贴敷在透明平板两边的，有源介质紧贴在透明平板中间位置，折射率可变薄膜贴敷在透明平板下表面中间位置，三棱镜置于折射率可变薄膜下方；其具体为：
1)以一定厚度h1且折射率n1较高的透明平板为基质，两电磁超表面分别贴敷在透明平板上表面左右两边的B和F位置,以透明平板上表面中间D位置为原点设置x坐标轴，则两电磁超表面的相位梯度满足的条件写为其中,φ为在电磁超表面B上x位置反射波的相位，在电磁超表面F上-x位置，相位梯度取上式的负值，λ为所选用的光的波长，θ1为光线在A处的反射角，θ2为光线在B处的反射角；由上述A、B、D、F四个位置，结合透明平板下表面两边的C和E两个位置，利用光在电磁超表面的负反射来构建一组闭合光路A-B-C-D-E-F-A；
2)紧贴在透明平板上表面中间D位置的有源介质为扁平长方体结构，其折射率n2小于透明平板的折射率n1；利用光在该有源介质表面，即D位置，全反射R增强来补偿光损耗；假设光在闭合路径的单周损耗因子为δ，调节有源介质的厚度h2和折射率n2，得到满足损耗补偿关系fmax(θ2,n1,n2,h2)≡|R|+exp(-δ)-2＝0的θ2，亦即，光损耗完全补偿的闭合光路；
3)最后，采用折射率可变薄膜和三棱镜即A位置来选择光损耗完全补偿的闭合光路，并实现光的输入、存储和输出。
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