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表面极化激元的存储与读取研究

表面极化激元的存储与读取研究

作者：苏骏峰华东师范大学

学位级别：硕士

近二十多年来,电磁感应透明(electromagnetically induced transparency,简称EIT)的发现激起了人们对基于量子干涉效应的非线性光学的极大兴趣。EIT现象的基本原理是在外加控制光场的影响下,原子内部的跃迁通道之间发生量子干涉效应,从... 详细信息

近二十多年来,电磁感应透明(electromagnetically induced transparency,简称EIT)的发现激起了人们对基于量子干涉效应的非线性光学的极大兴趣。EIT现象的基本原理是在外加控制光场的影响下,原子内部的跃迁通道之间发生量子干涉效应,从而使得原子对探测光场的吸收受到极大地抑制。除了抑制光场吸收,EIT还可以显著地改变介质的色散性质,使光场在介质中的传播速度发生改变。此外,利用EIT还可大为增强介质的非线性光学效应,为实现单光子水平下的非线性光学过程带来了希望。EIT的这些重要特性不仅开拓了弱光水平下的非线性光学研究新方向,而且在全光操控、量子信息处理、光存储与读取等领域具有十分重要的应用价值。随着社会和科学技术的发展,人们对信息存储技术的要求日益提高。新型的光存储技术有望取代现有的磁存储技术,成为新时代光与量子信息处理的重要手段。EIT的一个重要应用是光脉冲的存储与读取。近年来,国内外的许多科研工作者已经对基于EIT的光存储与读取进行了大量研究并且取得了不少研究成果。但是,至今为止基于EIT的光存储体系大多为超冷或自由空间的原子气。这样的体系或是技术手段要求很高,或是过于理想化而难以获得实际应用。所以,不少研究工作者一直在不断努力发展室温条件下基于固体介质的光存储技术,由此不仅可以解决原子气体的扩散问题,而且操作性好、实用性强。然而,尽管固体介质有很多优点,但由于存在非均匀展宽效应使得EIT效应变弱,进而导致存储效率和保真度下降。因此,如何实现光脉冲在非均匀展宽固体介质中的稳定传播以及高效率、高保真的存储与读取,是一个备受关注并亟待解决的重要课题。另一方面,近年来人们对金属―电介质界面的表面等离激元产生了极大的兴趣。因为具有良好的亚波长局域特性,表面等离激元的研究在集成光学、生物传感器、全光量子信息处理等领域具有广阔的应用前景。近几年来,通过在金属―电介质界面掺杂多能级量子发射体,使其与表面等离激元发生共振相互作用已成为一个前沿课题。然而,金属中存在的欧姆损耗给表面极化激元的应用带来了很大的限制。因此,实现长距离传播的表面等离激元是一个急需解决的问题。本学位论文的主要目的是结合表面等离激元和EIT效应的优点,对高效率、高保真度的表面极化激元的存储与读取进行深入探讨。一方面,基于EIT效应并引入辅助场为表面极化激元提供增益,由此得到可以长距离传播的表面极化激元。另一方面,利用表面极化激元的亚波长局域特性,增强固体介质中的EIT效应,实现高效率、高保真度的表面极化激元存储与读取。本文的研究工作主要集中在以下两个方面:一、表面极化激元的存储与读取。我们提出了在掺有三能级量子发射体的电介质―超颖材料界面上通过EIT实现表面极化激元的存取方案。首先,基于描述系统中光与量子发射体相互作用的Maxwell-Bloch方程组,导出了表面极化激元的色散关系;利用平均场近似方法,证明由于界面提供的强模式束缚,EIT效应极大地增强。其次,使用数值模拟的方法,证明了通过开启和关闭控制激光场可以实现表面极化激元的存储与读取。另外,还证明了利用一个弱微波激光场可以用来改善表面极化激元存储的存储效率和保真度。该研究所得结果有助于理解表面极化激元的物理特性质,也有望在光与量子信息处理中获得应用。二、光泵支持下的表面极化激元孤子的传播与存取。我们提出了在掺有四能级量子发射体电介质―超颖材料界面上,通过外加泵浦场来实现稳定表面极化激元及其存储与读取的方案。首先,通过求解体系的Maxwell-Bloch方程组得到了具有增益的表面极化激元色散关系,并证明由于辅助泵浦光场的引入可为系统提供增益,从而克服表面极化激元的在传播过程中的损耗。其次,利用多重尺度法导出了表面极化激元演化所服从的非线性包络方程,由此详细地研究了表面极化激元的性质,并证明利用该系统可实现巨克尔非线性效应,并得到稳定传播的表面极化激元孤子。最后,通过数值模拟证明,利用该体系可实现表面极化激元孤子的长程传播和高质量的存储与读取。本文的研究结果不仅有助于理解表面极化激元的物理特性,而且对于量子信息处理和传输、弱光水平下的全光操控等的实际应用有一定的理论指导意义。

关键词：电磁感应透明表面极化激元光存储与读取

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反铁磁质表面极化激元的非对易性

武汉科技学院学报 2000年第1期13卷 6-10页

作者：章惠康武汉科技学院基础部武汉430073

通过计算和讨论得到了当外磁场沿ｘ轴方向，原磁晶磁矩沿ｚ轴方向，波矢沿±ｙ轴方向时，反铁磁质表面磁极化激元的极化与铁磁质在平行于磁晶磁矩的外磁场下的极化相类似，具有非对易性，且其色散关系也具有非对易性。

关键词：表面极化激元极化色散关系非对易性

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反铁磁质表面的磁极化激元

武汉纺织工学院学报 1999年第3期12卷 25-28页

作者：章惠康

通过计算得到了当外磁场沿ｘ轴方向，原磁晶磁矩沿ｚ轴方向，波矢沿ｙ轴方向的反铁磁质的表面磁极化激元的ＴＥ模式。其色散关系曲线与在平行于磁晶磁矩的外磁场下的铁磁质的色攻关系曲线相似。

关键词：表面极化激元频率范围磁极化激元反铁磁质

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基于超表面的粒子间近场辐射换热研究

工程热物理学报 2022年第7期43卷 1935-1941页

作者：张昕博张勇易红亮哈尔滨工业大学能源科学与工程学院哈尔滨150001

近场辐射换热具有高于同温度下黑体辐射换热量的巨大换热潜力,这种强烈的近场辐射热流可以应用于热光伏电池、热整流等领域,具有广阔的应用背景。本文建立了超表面调控粒子间辐射换热的理论模型,结合偶极近似法与有效介质理论,计算了黑... 详细信息

近场辐射换热具有高于同温度下黑体辐射换热量的巨大换热潜力,这种强烈的近场辐射热流可以应用于热光伏电池、热整流等领域,具有广阔的应用背景。本文建立了超表面调控粒子间辐射换热的理论模型,结合偶极近似法与有效介质理论,计算了黑磷光栅下SiC粒子间近场辐射换热量,进一步探究了黑磷光栅电子掺杂浓度、光栅填充因子等因素对粒子换热的影响规律,同时揭示了各向异性表面等离子体极化激元(SPPs)在调控换热中的作用机制。结果表明,超表面的存在极大增强了粒子间辐射换热量,不同光栅化方向(AC方向、ZZ方向)对于粒子换热有着不同程度的影响。

关键词：近场辐射换热粒子超表面各向异性表面极化激元

石墨烯/AZO/SiC复合结构的近场辐射换热特性

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工程热物理学报 2020年第3期41卷 715-721页

作者：徐德宇赵军明刘林华哈尔滨工业大学能源科学与工程学院哈尔滨150001 山东大学(青岛)能源与动力工程学院青岛266237

由于倏逝波贡献,近场辐射换热可以远超黑体辐射定律给出的极限换热热流,对近场辐射换热的调控在近场热光伏及热管理方面有重要的应用前景。石墨烯是一种有潜力的可用于近场辐射换热调控的功能材料。本文研究了由石墨烯、铝掺杂氧化锌(al... 详细信息

由于倏逝波贡献,近场辐射换热可以远超黑体辐射定律给出的极限换热热流,对近场辐射换热的调控在近场热光伏及热管理方面有重要的应用前景。石墨烯是一种有潜力的可用于近场辐射换热调控的功能材料。本文研究了由石墨烯、铝掺杂氧化锌(aluminum-doped zinc-oxide,AZO)及SiC构成的多层复合薄膜的近场辐射换热特性。研究发现:"AZO薄膜+SiC基底"结构的频谱辐射热流在SiC的SPhP频域出现谷值,而"SiC薄膜+AZO基底"结构同时在两种表面极化激元的共振频率处出现峰值;覆盖单层石墨烯薄膜对"AZO薄膜+SiC基底"结构的近场辐射换热基本没有影响;而"石墨烯/SiC薄膜/AZO基底"结构却可以同时支持三种表面极化激元,并在调控石墨烯化学势到适当值时,可以有效增强近场换热。本研究有助于理解石墨烯对近场辐射换热的调控特性。

关键词：近场辐射典型材料复合结构表面极化激元

极化激元(polaritons)与拉曼散射

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物理学进展 2003年第1期23卷 82-124页

作者：程光煦南京大学现代分析中心及固体微结构物理国家实验室南京210093

在给出介质中的光 (电磁 )波与极化波混合作用而得出的极化激元方程、极化激元色散方程之后又讨论了相应的物理意义及相关的物理问题 ;获得极化激元的实验方法 ,接着还介绍和讨论了极化激元的拉曼散射。

关键词：极化激元拉曼散射表面极化激元激子极化激元等离激元-极化激元

基于graphene-BN-InSb异质结构的高性能近场热光伏电池的设计

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基于graphene-BN-InSb异质结构的高性能近场热光伏电池的设计

作者：王荣倩苏州大学

学位级别：硕士

热光伏电池系统因其在废热回收方面的应用激发了人们广泛的研究兴趣,而近场热光伏电池系统由于其潜在的高性能日渐成为研究人员工作的重点。但是,由于热源和光伏电池的频率不匹配,造成热源-电池间的光子遂穿效率低下,使得近场热光伏电... 详细信息

热光伏电池系统因其在废热回收方面的应用激发了人们广泛的研究兴趣,而近场热光伏电池系统由于其潜在的高性能日渐成为研究人员工作的重点。但是,由于热源和光伏电池的频率不匹配,造成热源-电池间的光子遂穿效率低下,使得近场热光伏电池性能的进一步提升受到了限制。并且,目前大多数工作考虑的是温度高于1000 K的高温热源,这使得温度处于400 K～800 K之间的常见工业废热未能被回收利用。基于此,我们提出以石墨烯-六方氮化硼的异质结构作为近场热辐射源,以石墨烯覆盖的碲化铟半导体作为电池,并将热源温度设置在常见工业废热温度范围内,以实现对常见工业废热的充分利用。在此系统中,表面极化激元激发了热源-电池间的共振吸收,从而显著提高了输出功率和能量转换效率。结果表明,采用石墨烯-六方氮化硼异质结构和石墨烯覆盖的电池系统,其最佳输出功率可达3.5 × 104 W/m2;而具有异质结发射极和无覆盖的碲化铟电池系统,其最佳效率可达27%的卡诺效率。最终结论显示,近场热光伏电池系统的性能可与目前最先进的热电电池系统相媲美,甚至更优,这为未来高性能近场能量转换器件的设计提供了十分有用的参考价值。

关键词：热光伏电池近场效应表面极化激元

掺杂硅与二氧化钒平板间的近场辐射传热及其热整流性能研究

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掺杂硅与二氧化钒平板间的近场辐射传热及其热整流性能研究

作者：杨培培桂林电子科技大学

学位级别：硕士

自然界中任何物体都能够以电磁波的形式进行辐射传热,且当辐射传热的物体间的间距接近或小于由Wien位移定律确定的辐射特征波长时,由于近场效应的显著影响,使得物体间的近场辐射总热流能够超过相同条件下黑体辐射的数个量级。基于近场... 详细信息

自然界中任何物体都能够以电磁波的形式进行辐射传热,且当辐射传热的物体间的间距接近或小于由Wien位移定律确定的辐射特征波长时,由于近场效应的显著影响,使得物体间的近场辐射总热流能够超过相同条件下黑体辐射的数个量级。基于近场辐射传热的热整流系统能够突破传统热整流系统的性能限制,在能量转换系统、热逻辑电路和信息处理等科学领域有着重要的应用。因此,关于如何有效地调控近场辐射传热和提高近场辐射热整流效应的问题,受到了国内外学者的广泛关注。本文基于电磁波的概念,通过随机Maxwell方程组结合波动电动力学构建近场辐射传热的数学模型,借助并矢格林函数求解相关的电场和磁场。然后通过引入波印廷矢量结合涨落耗散理论,得到了两平行光滑平板间以及覆盖单层薄膜的平板间的近场辐射热流的计算公式。接着利用上述理论公式计算了掺杂硅和二氧化钒(VO)平板间的近场辐射热流及其热整流系数,并分析了掺杂浓度和真空间距对近场辐射热流和热整流系数的影响。结果揭示了通过掺杂浓度能够有效地调节掺杂硅的p偏振的表面等离子体极化激元(SPPs)的激发频率,强调了由于掺杂硅的p偏振的SPPs和绝缘体VO的p偏振的表面声子极化激元(SPh Ps)或p偏振的双曲线模式(HMs)的相互作用,使得平板间的正向偏置的近场辐射热流增大,进而强化相应的热整流性能。最后在上述计算的结构基础上引入单层石墨烯薄膜,通过对材料的优化组合,同时综合考虑石墨烯的化学势、掺杂浓度和真空间距对近场辐射热流和热整流系数的影响。结果揭示了由于石墨烯对热发射端和冷接收端的p偏振的表面模式的修改,改变了相应系统的p偏振的表面模式间或p偏振的表面模式和绝缘体VO的p偏振的HMs的相互作用,进而能够有效地调控近场辐射传热及其热整流性能。本文的研究对近场辐射热管理和基于近场辐射传热的热器件的应用具有重要意义。

关键词：近场辐射传热掺杂硅二氧化钒石墨烯表面极化激元热整流

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梯度折射率平板近场辐射换热特性

梯度折射率平板近场辐射换热特性

作者：徐德宇哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近场辐射换热,由于其热流远超黑体辐射极限,在微尺度能量转移、转换和管理设备中具有重要的应用前景。目前关于平板结构近场换热的研究,考虑的大都是介电函数均匀分布的情形,而对于工程中广泛存在的由镀膜不均、表面粗糙、场效应等引起... 详细信息

近场辐射换热,由于其热流远超黑体辐射极限,在微尺度能量转移、转换和管理设备中具有重要的应用前景。目前关于平板结构近场换热的研究,考虑的大都是介电函数均匀分布的情形,而对于工程中广泛存在的由镀膜不均、表面粗糙、场效应等引起的介电函数梯度分布的情形,则鲜有关注。针对这一问题,本文用多层介质对梯度折射率平板作近似,进而利用多层介质的近场辐射传输理论研究梯度折射率平板的近场换热特性。平板的表面粗糙是工程中普遍存在的介电函数梯度分布的存在形式。本文基于等效介质理论(EMT),将碳化硅(Si C)粗糙表面等效为具有梯度折射率分布的多层介质,研究了其近场换热特性。研究表明:随着粗糙表面方均根高度σ的增加,局域态密度和谱热流的峰值均会发生红移,其物理机制是粗糙层等效的梯度折射率介质内部界面上低频表面极化激元的耦合。对于一定的间距,粗糙表面之间的净辐射热流超过光滑平板,且随着σ的增加而增大。所提出的等效方法并不适用于研究粗糙表面的相关长度对近场换热的影响。对粗糙表面近场换热的研究是梯度折射率平板近场换热研究方法的应用实例。进一步研究了介电函数由德鲁德模型(Drude model)描述的一般梯度折射率平板介质的近场换热机制。一方面,通过参数化研究发现:随着折射率变化总深度h的增大,近场热流先增大后减小;同时,谱热流随着h的增大发生红移。随着板间距d的增大,热流的穿透深度增大,谱热流发生蓝移。另一方面,通过对电磁波振幅的分析,研究了梯度折射率介质中表面极化激元的作用机制。证明了内部界面上支持频率使该处介电函数为0的表面极化激元,其导致总热流吸收分布在介质内部出现峰值;内部表面极化激元的模态比真空/均匀介质交界面上的模态更加丰富,且受介电函数梯度的影响。本文还通过对局域态密度的分析,研究了介电函数梯度分布对真空/梯度折射率介质交界面上表面极化激元的调制。研究发现:介电函数的梯度分布改变了表面极化激元的色散关系,其波矢大小决定于介电函数的分布,在介质表面和内部的对应值之间取值,且介质内部介电性质对色散关系的影响大于介质表面。本文的研究结果有助于加深对梯度折射率介质近场换热的理解,对工程实际中微尺度能量设备的设计与评估具有借鉴意义。

关键词：近场热辐射梯度折射率粗糙表面表面极化激元