金属—液晶薄膜界面处表面等离子体非线性传播及耦合

【摘要】：表面等离子体是一种存在于具有相反介电常数介质界面的电磁波，其有效折射率大小对界面附近光学参数变化十分敏感，因此可通过改变系统的结构、光学参数，实现对表面等离子体有效折射率的调控。金属-液晶混合系统是一种典型的用于调制表面等离子体有效折射率的系统。在外加电场作用下，液晶指向矢空间取向将发生变化，系统的光学参数也会相应改变，因此表面等离子体的有效折射率将受到调制作用。当液晶-金属混合系统中包含光电导取向层时，光场可以对表面等离子体有效折射率产生调制作用。本课题主要基于金属-液晶混合系统，研究界面处表面等离子体有效折射率的光电调控及其与空间光的相干作用。 利用处理金属-液晶混合系统中各向异性问题的微扰理论，给出了液晶指向矢空间取向分布的改变对表面等离子体有效折射率的调控作用。进而在大电压近似下验证了该非线性作用过程的合理性。然后针对实际应用需求，在界面处引入特殊的光电功能取向层PVK：C60，并从实验上获得了其对液晶薄膜两端分压的影响和光控特性，模拟了光纤测试系统中小电压（液晶薄膜两端分压5V）作用下外加光、电场对金属-液晶界面处表面等离子的调控作用，并分析了取向层PVK: C60的厚度及掺杂光敏材料的浓度对调制强度的影响。 当激发表面等离子体的光源为激光光源时，表面等离子体作为一种非均匀强度的电磁波将会在金属-液晶混合系统中，引入的特殊光电功能取向层产生光致响应，而使得液晶薄膜两端的分压发生改变，随之发生的液晶指向矢的重新取向将反作用于表面等离子体，从而能够实现表面等离子体的自调制效应。首先，使用实验已测定光电性能的光电功能聚合物PVK: C60薄膜作为取向层，理论模拟了表面等离子体的自调制强度随着取向层厚度和外加电压大小的变化规律。之后，利用厚度薄至2nm的十六烷基硫醇功能单分子膜作为取向层，实验研究了金属-液晶混合系统中，表面等离子体的自调制耦合过程及稳态自调制强度随着驱动电压和激发光场强度的变化特性。 最后，讨论了金属-液晶混合系统中表面等离子体与空间光的干涉作用。在外加电场辅助作用下，满足一定条件的、强度空间分布相干光场将会对液晶指向矢产生相应的取向调制作用。为了在低摩尔质量向列液晶中引起取向光栅并产生可观测的衍射效应，分析了不同入射条件下（改变入射光波入射角、偏振及波长等）相干光场的空间分布特性，为下一步实验研究提供了理论依据。