二能级材料与微纳光学结构间强耦合现象的FDTD仿真研究

作     者：王丽兰 

作者单位：厦门大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄凯

授予年度：2022年

学科分类：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）] 

主      题：FDTD 二能级材料 强耦合 SPP 波导 

摘      要：近年来,随着微纳加工技术的提高以及对光学研究的逐渐深入,光与物质间的强耦合现象引发了研究学者们的浓厚兴趣,而且由于强耦合所引起的独特性质使其具有广泛的应用前景。通常FDTD模拟仿真强耦合现象的过程中,作用物质采用洛伦兹模型来表示,然而很多情况下,在物理上作用物质使用二能级材料来进行描述更为准确,基于此,本论文的主要研究内容如下:首先,通过构建二能级材料与DBR微腔的仿真模型,探究利用二能级材料进行FDTD仿真以研究强耦合过程的可行性。结果表明,可观察到典型的强耦合特征:能量反交差行为,并通过能量劈裂值与二能级材料电子布居密度的关系进一步证明了系统中强耦合现象的发生,证明了可利用二能级材料进行FDTD仿真的方法来研究强耦合现象。其次,进一步探究了金属光栅与二能级材料间的强耦合现象。仿真结果表明,针对该复合结构,当入射光为TM波(横电波)时,入射光可与金属光栅耦合形成表面等离极化激元(SPP),进而和二能级材料发生强耦合。然而,当入射光为TE波(横磁波)时,则无法激发SPP,因此无法进一步与二能级材料实现强耦合。最后,我们进一步研究了一种实际相对较容易实现的强耦合器件的模拟,在金属光栅与二能级材料之间引入一层介质薄膜,并将二能级材料置于介质薄膜中,形成金属光栅-光学腔-二能级材料的复合结构。研究结果表明,增加光学腔后的复合系统中,在TM波入射的模式下,依然可以观察到强耦合现象。并且,不同于前述的金属光栅-二能级材料复合系统,在TE波入射的模式下,也可观察到强耦合现象,这是由于光学腔所形成的波导模式可以与二能级材料之间发生强耦合。最后,研究了光栅金属种类对强耦合的影响,结果表明,金属光栅的性质可对强耦合现象产生较大的影响。但引入波导后,由于波导的耗散比金属低,不同金属种类对强耦合现象的影响将大幅减小。综上分析,使用二能级材料模型替代传统的洛伦兹材料模型来对作用材料进行描述,依然可以使用FDTD仿真手段来研究光与物质间的强耦合现象。这对研究冷原子、染料分子、稀土元素之类二能级材料的强耦合现象提供了一种物理上更为准确的方法。同时,本文利用这种方法研究了金属光栅-光学腔-二能级材料之间的强耦合现象,发现其在不同入射波偏振模式下,具有不同类型的强耦合模式,为将来进一步实验验证奠定了基础。