等离激元体系的光学非线性及时间演化特性研究

【摘要】：本论文主要研究等离激元材料(主要包括贵金属颗粒和石墨烯包裹的介电颗粒)的光学非线性和时间演化行为。基于色散关系法建立非线性动力学特征方程组,分析体系的光学双稳、随时间演化特性和调制非稳定性,并提出利用非线性实现超快速切换、通信安全等方案。具体研究内容如下:1.等离激元金属核壳结构纳米复合材料的光学非线性增强本文利用一种新颖的双金属核-壳结构纳米颗粒复合体系来实现了非线性效应的增强。这种光学非线性效应的增强来自两个方面,一是金属等离激元材料本身的强非线性效应,二是由球形等离激元和空球腔等离激元的偶极模耦合形成的对称模与非对称模共振而引起的局域场增强。研究表明,这种等离激元金属核壳结构纳米颗粒复合体系可以通过调节其核壳比来实现光学非线性效应的最大增强。2.基于非线性石墨烯等离激元的光学双稳与非确定转换利用色散关系法,建立动力学特征方程来描述非线性石墨烯纳米颗粒随时间演化的电偶极矩,研究其光学双稳态。通过外加高斯型脉冲信号,研究外加信号参数对非线性石墨烯颗粒转换后所处稳态的影响,从而控制该颗粒在双稳态间相互转换,实现超快切换。我们进一步提出“非确定转换”这一概念,即非线性球颗粒的转换态与外加信号参数呈现非确定的关系。3.基于非线性石墨烯等离激元二聚体体系的低阈值光学双稳态研究及纳米雷达的实现本文研究了非线性石墨烯包裹介电颗粒纳米二聚体体系的光学双稳及动力学性质。结果表明,二聚体结构能有效的降低双稳阈值。此外,考虑非线性石墨烯二聚体的电极化随时间演化,当体系处于调制非稳定区域,两颗粒的电极化发生周期性振荡,这是由于调制非稳定性导致本征模之间的能量发生周期性交换,并进一步引发其散射图案的周期性变化。因此,我们利用以上动力学特性,提出基于非线性石墨烯二聚体的新型纳米雷达,其低操作阈值、超快响应时间和超短的自振荡周期在纳米光子学信息安全领域具有潜在的应用价值。4.非线性石墨烯纳米二聚体中非对称态、周期性振荡态和混沌态的研究本文提出了非线性石墨烯包裹氟化钡球颗粒二聚体结构的新型纳米天线。推导任意入射角电磁波辐射下二聚体电偶极矩随时间演化的非线性动力学方程,得到双稳以及多稳态;并利用传统的线性化分析法,通过外加微扰,计算静态解的非稳定性增长率,判断其稳定性。此外,我们提出并证明了纵向调制非稳定性会导致一系列丰富的动力学行为,如非对称态、周期性振荡态和混沌态,而横向调制非稳定性则不然。我们的研究结果为非线性等离激元的实验研究提供了理论指导,也为我们利用非线性石墨烯设计全光转换、随机数发生器等超薄超快的新型纳米光电元器件开拓新的道路。5.基于非确定转换光学纳米天线的超快加密法本文研究了基于非线性等离激元共振颗粒异质二聚体的光学双稳和非确定转换。当外加足够强的脉冲信号时,系统最终是转换到另一个稳态还是保持在初始态,取决于脉冲信号参数。该操作中的非线性特性使得基于“非确定转换”的序列加密免受代数攻击。与需要数千个逻辑门的常用加密算法相比,它仅利用单个双稳态元件就可以实现“非确定转换”辅助加密协议。此外,我们通过解密单词“enigma”来阐述这一原理,加密速率为0.13 Tb/s。这种高转化效率和小尺寸的优势使该非线性双稳系统作为全光加密构造中的基本要素更具发展价值。