三維光場(chǎng)限制表面等離子體激元納米激光器的設(shè)計(jì).pdf

1、表面等離子體激元（Surface plasmon polaritons，SPPs）是一種表面波，是入射光子和金屬（例如金、銀等）中電子能量交換而形成并且沿著金屬表面?zhèn)鬏數(shù)碾娮蛹w振蕩波?；赟PPs激光模式的激光器件就是本文研究的受激表面等離子體激光器(Surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation，SPASER）。本文研究設(shè)計(jì)基礎(chǔ)模型采用低折射率介質(zhì)、

2、納米線增益介質(zhì)和金屬介質(zhì)結(jié)合形成混合表面等離子體激元（Hybrid surface plasmonic，HSP）波導(dǎo)。由于混合等離子波導(dǎo)模式在低損耗、高光與物質(zhì)相互作用方面的優(yōu)勢(shì)，基于混合等離子波導(dǎo)的SPASER受到了廣泛的關(guān)注和研究。然而傳統(tǒng)的SPASER往往強(qiáng)調(diào)在二維平面內(nèi)的光限制，對(duì)于第三維上的光限制沒(méi)有研究。因此在進(jìn)一步提高光與物質(zhì)相互作用并形成納米量級(jí)的量子光源上存在困難。面對(duì)這項(xiàng)挑戰(zhàn)，本文研究從增強(qiáng)納米激光器光場(chǎng)限制能力出發(fā)

3、，設(shè)計(jì)了全三維光場(chǎng)限制能力的表面等離子體納米激光器。本研究中納米激光器的設(shè)計(jì)利用了SPPs模式對(duì)模場(chǎng)的增強(qiáng)和模尺寸的良好的限制能力，其中光學(xué)諧振腔是基于硫化鎘納米線產(chǎn)生SPPs模式的法布里-珀羅（Fabry-Perot，F(xiàn)P）諧振腔。本文研究獨(dú)創(chuàng)性的在傳統(tǒng)HSP腔體中引入了宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)原理(Parity-time symmetry)，分析了增加PT對(duì)稱(chēng)原理后如何產(chǎn)生第三維度光場(chǎng)限制的機(jī)理。從耦合模理論的計(jì)算分析出發(fā)，成功構(gòu)建了HSP波導(dǎo)

4、上的第三維度的光場(chǎng)限制模型。本文利用了有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics數(shù)值仿真的研究方法，對(duì)所設(shè)計(jì)的擁有全三維光場(chǎng)限制能力的等離子納米激光器進(jìn)行了三維數(shù)值仿真分析。數(shù)值仿真嚴(yán)格構(gòu)建了仿真模型并對(duì)材料等效折射率、不同增益損耗條件下的三維光場(chǎng)分布、場(chǎng)能量數(shù)值和有效模式體積進(jìn)行了全面分析。通過(guò)一系列仿真分析驗(yàn)證了本文研究所設(shè)計(jì)的等離子納米激光器的全三維光場(chǎng)限制能力。我們知道珀塞爾因子（Purcell factor）是體現(xiàn)光