三維光場限制表面等離子體激元納米激光器的設計.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。基于SPPs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）。本文研究設計基礎模型采用低折射率介質、

2、納米線增益介質和金屬介質結合形成混合表面等離子體激元（Hybrid surface plasmonic，HSP）波導。由于混合等離子波導模式在低損耗、高光與物質相互作用方面的優(yōu)勢，基于混合等離子波導的SPASER受到了廣泛的關注和研究。然而傳統(tǒng)的SPASER往往強調(diào)在二維平面內(nèi)的光限制，對于第三維上的光限制沒有研究。因此在進一步提高光與物質相互作用并形成納米量級的量子光源上存在困難。面對這項挑戰(zhàn)，本文研究從增強納米激光器光場限制能力出發(fā)

3、，設計了全三維光場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計利用了SPPs模式對模場的增強和模尺寸的良好的限制能力，其中光學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。本文研究獨創(chuàng)性的在傳統(tǒng)HSP腔體中引入了宇稱時間對稱原理(Parity-time symmetry)，分析了增加PT對稱原理后如何產(chǎn)生第三維度光場限制的機理。從耦合模理論的計算分析出發(fā)，成功構建了HSP波導

4、上的第三維度的光場限制模型。本文利用了有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics數(shù)值仿真的研究方法，對所設計的擁有全三維光場限制能力的等離子納米激光器進行了三維數(shù)值仿真分析。數(shù)值仿真嚴格構建了仿真模型并對材料等效折射率、不同增益損耗條件下的三維光場分布、場能量數(shù)值和有效模式體積進行了全面分析。通過一系列仿真分析驗證了本文研究所設計的等離子納米激光器的全三維光場限制能力。我們知道珀塞爾因子（Purcell factor）是體現(xiàn)光