顆粒復合材料中的高階非線性響應和光學雙穩(wěn).pdf

1、該文著重研究了宏觀非均勻顆粒復合體系的高階非線性響應和光學雙穩(wěn)現(xiàn)象.顆粒復合材料是由半導體或金屬微粒散布于膠狀基質(zhì)中構(gòu)成的復合體系.研究發(fā)現(xiàn),在這類非線性顆粒復合體系中,由于表面plasmon諧振效應,即使組分具有較弱的非線性,整個體系卻呈現(xiàn)很強的非線性響應,而且,在諧振點附近,相對低的外加電場下也可以觀察到光學雙穩(wěn)現(xiàn)象.由于這種非線性復合材料不需要外加的諧振裝置,就可實現(xiàn)表面等離子共振,它的響應時間僅和材料本身的響應時間和輸運時間有關(guān)

2、,從而具有很快的響應速度,因此這類復合材料在全光學邏輯處理器件等方面有著廣闊的運用前景.該文利用譜表示和微擾展開法,從理論上給出了適合于一般微觀結(jié)構(gòu)復合體(非均勻局域場)的有效非線性響應X<,e>的解析式,首次給出了有效高次非線性響應η<,e>的一般表示式.將這一理論退化運用到稀釋極限和Maxwell-Garnett模型,和以往文獻給出的結(jié)果一致.并且,我們的結(jié)果和MGA模型相比較,與數(shù)值模擬符合較好.同時,我們還討論了X<,e>和η<

3、,e>隨非線性組分體積分數(shù)p的變化關(guān)系(適用于整個體積分數(shù)范圍);分析了顆粒的形狀因子(退極化因子)對X<,e>和η<,e>的影響,并研究了具有高體積分數(shù)的非線性組分的介電渾數(shù)為復數(shù)時(即具有介電損耗的復合材料)體系的有效高次非線性響應,從理論上說明了即使組分的非線性較弱,卻導致了復合體系較強的有效非線性響應(X<,e>)高次非線性響應(η<,e>),指出了在一定的條件下,有效高次非線性響應(η<,e>)對整個復合體系有效介電常數(shù)具有不

4、可忽略的影響.我們還結(jié)合有效媒質(zhì)近似(Effective Medium Approximation),研究了沿外場平行排列的金屬顆粒散布于基質(zhì)中形成的兩組分非線性復合體系的光學雙穩(wěn).研究發(fā)現(xiàn),雙穩(wěn)特性依賴于顆粒的退極化因子和體積分數(shù).在給定的體積分數(shù)下,僅當退極化因子大于它的臨界值L<,c>時,才能觀察到光學雙穩(wěn).我們還從理論上推導出雙穩(wěn)的上下域值和雙穩(wěn)帶寬.在研究光學雙穩(wěn)的同時,我們提出的理論和方法可以很方便地給出復合體系的有效介電常