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《南开大学》 2010年
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光折变表面波及其在表面等离子体激元长程传播中的应用

邵伟伟  
【摘要】:光折变表面波是一种可沿光折变介质表面自诱导传播的非线性表面波。由于界面对光束的反射与光折变晶体的非线性共同作用导致光能量可被约束在光折变介质近表面狭层空间。由于其高能量密度和可沿直线传播而实现的相位匹配,使各种表面非线性光学效应得以增强。因此,光折变表面波在波导制备、谐波产生和集成光学器件设计等方面具有潜在的应用价值。 表面等离子体激元是一种沿着金属与电介质的界面传播的表面电磁波。它具有使光强烈局域化,对与金属相邻介质的介电常数高度敏感,波长在亚波长量级等特性,这使得它被广泛地应用于多个领域。但是由于金属内部有强烈的吸收,表面等离子体激元的传播距离有限(通常在可见光波段只有几十个微米)。这极大地限制了表面等离子体激元的应用。 国内外学者提出了多种提高表面等离子体激元传播距离的方法,已将表面等离子体激元的传播距离提高到厘米量级。但是在以往的方法中,对于确定的配置,表面等离子体激元的模式和传播距离是唯一确定的。本论文中我们将光折变表面波应用到表面等离子体激元的长程传播中,提出了一种模式和传播距离可调谐的表面等离子体激元配置方案。与表面等离子体激元不同,光折变表面波在传播过程中无能量损耗,在这两种表面波耦合传播过程中,光折变表面波不断为表面等离子体激元的吸收损耗补充能量,从而提高表面等离子体激元的传播距离。而且由于光折变表面波在形成与传播的同时可自诱导产生波导,因而在光折变介质和金属界面附近附加了一个可调谐的波导,使得表面等离子体激元的激发条件被放宽,从而在固定的配置中可激发多种模式的表面等离子体激元。 首先,我们由带输运模型推导出光折变晶体中的非线性波方程,数值计算扩散机制下光折变晶体与空气界面形成的光折变表面波的稳态解。分析了传播常数、暗辐照、背景光等对光折变表面波的模式的影响。本论文还研究了TE模式与TM模式光折变表面波同时存在时的耦合情况。两种模式的表面波同时存在时可发生强烈的耦合,光场能量向体内泄露而无法局域在表面。 其次,我们提出了分区快速傅里叶变换光束传播方法。此方法可以解决传统的快速傅里叶变换光束传播方法无法解决的光在折射率变化较大的物质中传播的情况。我们用此分区快速傅里叶变换光束传播方法模拟了扩散机制下的光折变表面波的稳定传播。与线性稳定性分析得到的结论一致:扩散机制下的光折变表面波是可以稳定传播的。 我们提出了一种改进的Kretschmann配置,将原配置中的线性电介质棱镜替换为非线性电介质得到“非线性电介质/金属/线性电介质”波导配置,在此结构中可激发并传播模式和传播距离可调谐的表面等离子体激元。我们数值模拟了表面等离子体激元的模式和传播。结果表明:在本论文的配置中,表面等离子体激元的传播距离可以从几十微米到几十厘米甚至更远。从理论上讲,这种结构可以实现传播距离无限长。该配置打破了传统的Kretschmann配置中对表面等离子体激元激发的固有限制而可以在κ0ε31/2βκ0ε11/2范围内连续激发稳态的表面等离子体激元模式。 最后,我们用转移矩阵方法从理论上研究了光波在一维“金属/线性电介质”光子晶体中的传播特性。通过数值计算,我们在周期为纳米量级的一维“金属/非线性介质”的周期性结构中计算得到亚波长离散孤子。在这种一维“金属/非线性介质”的周期性结构与半无限大非线性介质的界面模拟计算得到亚波长表面离散孤子。 本论文工作的创新点: 1.首次研究了TM模光折变表面波并分析了TE模与TM模光折变表面波之间的耦合及影响光耦合的因素。然后提出了分区快速傅里叶变换光传输方法,并用此方法模拟扩散机制下的光折变表面波的稳定传播。 2.提出了“非线性电介质/金属/线性电介质”的表面等离子体激元的激发和传播配置,理论上得到了表面等离子体激元的模式和传播距离的可调谐。 3.在周期为纳米量级的一维“金属/非线性电介质”的周期性结构与半无限大非线性电介质的界面处模拟计算得到亚波长离散表面孤子。 表面等离子体激元对纳米光学的发展和光子学器件的小型化都有深远的影响。模式与传播距离可调谐的长程表面等离子体激元的实现会推进表面等离子体激元的应用尤其对于全光集成回路的实现具有重要的意义。
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