超颖材料波导界面表面等离激元非线性传播特性研究

作     者：李娜 

作者单位：山东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谭超华

授予年度：2021年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：表面等离激元 全光逻辑门 纳米聚焦 电磁感应透明 主动拉曼增益 

摘      要：表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons,简称为SPPs）是光子与金属表面自由电子相互作用而产生的集体激发模式,其具有亚波长传播和局域场增强等特性,被认为是实现新一代微纳集成光子器件的理想载体之一。近年来,众多科研工作者把非线性光学与SPPs的亚波长电磁场束缚特性有机地相互融合,使得微纳结构实现弱光非线性效应成为可能,并逐步发展成非线性SPPs光子学这一新兴领域,同时设计实现了诸多可应用于微纳尺寸全光信息处理的SPPs微纳器件。其中,金属电介质复合波导,因同时具有局域场增强和高极化率非线性材料的优势,在非线性SPPs研究领域备受科研人员的关注。目前人们对该类波导体系中SPPs与电介质的强相互作用、SPPs传播过程中非线性效应的实验研究进展迅猛。然而,由于金属电介质复合波导中非线性效应的复杂性,理论研究方兴未艾。目前理论研究工作仍处于定性的理论分析及数值模拟研究阶段,系统完善的解析理论研究仍亟待发展。针对上述问题,本文的主要目的是基于半经典理论和奇异微扰方法,深入研究超颖材料电介质平面微纳波导中SPPs与相干介质相互作用过程中的非线性光学效应,并基于此探索SPPs的磁光相干调控方案,及其在微纳器件中新的潜在应用。主要有以下两方面的研究结果:1、基于外加梯度磁场SPPs异或非逻辑门的研究。负折射率材料（negative index metamaterial,简称为NIMM）-电介质界面波导可以支持无损的SPPs导波模式,我们系统研究了外加弱梯度磁场下无损SPPs的线性及非线性传播特性。系统中电介质为具有三能级Λ型激发构型的原子气体,通过主动拉曼增益机制,得到了SPPs的巨克尔效应,实现了快光SPPs孤子,并研究了SPPs孤子在弱梯度磁场中的类Stern-Gerlach效应及轨迹操控,通过设计梯度磁场的空间分布、时间控制函数以及孤子的吸引及排斥相互作用,实现了SPPs的异或非逻辑操作。该研究所得到的结果在未来芯片上的微纳光集成、光信息处理等均具有潜在应用价值。2、基于交叉相位调制SPPs纳米聚焦的研究。基于Tripod型双EIT机制,系统研究了NIMM-电介质界面波导系统中SPPs孤子的纳米聚焦。在线性区域,得到了无损稳定传播的SPPs,并实现了SPPs与自由空间传播探测场的群速度匹配。在非线性区域,实现了SPPs与探测场交叉相位调制的增强,并推导得到了耦合的非线性薛定谔方程。利用自由空间中的窄脉冲探测光孤子,实现了SPPs孤子的空间聚焦,通过采用亮孤子对、多亮孤子对、灰孤子对解,系统研究SPPs空间聚焦的特性,研究发现空间SPPs孤子的半高全宽可以压缩到10纳米左右,即可以通过交叉相位调制实现SPPs的纳米聚焦。该研究结果对微纳尺寸精密测量、生物传感、超分辨成像等具有一定的应用价值。本文所研究内容对建立波导体系中SPPs与多能级量子发射体共振相互作用的基本理论和计算方法、深入了解SPPs的非线性和量子光学性质、设计和开发基于SPPs的全光量子逻辑器件以及探索SPPs在微纳集成全光信息处理与传输中的应用均具有较为重要的意义。