光折變表面波及其在表面等離子體激元長程傳播中的應用.pdf

1、光折變表面波是一種可沿光折變介質表面自誘導傳播的非線性表面波。由于界面對光束的反射與光折變晶體的非線性共同作用導致光能量可被約束在光折變介質近表面狹層空間。由于其高能量密度和可沿直線傳播而實現(xiàn)的相位匹配,使各種表面非線性光學效應得以增強。因此,光折變表面波在波導制備、諧波產生和集成光學器件設計等方面具有潛在的應用價值。表面等離子體激元是一種沿著金屬與電介質的界面?zhèn)鞑サ谋砻骐姶挪?。它具有使光強烈局域?對與金屬相鄰介質的介電常數(shù)高度敏感,

2、波長在亞波長量級等特性,這使得它被廣泛地應用于多個領域。但是由于金屬內部有強烈的吸收,表面等離子體激元的傳播距離有限(通常在可見光波段只有幾十個微米)。這極大地限制了表面等離子體激元的應用。國內外學者提出了多種提高表面等離子體激元傳播距離的方法,已將表面等離子體激元的傳播距離提高到厘米量級。但是在以往的方法中,對于確定的配置,表面等離子體激元的模式和傳播距離是唯一確定的。
　　 本研究將光折變表面波應用到表面等離子體激元的長程傳

3、播中,提出了一種模式和傳播距離可調諧的表面等離子體激元配置方案。與表面等離子體激元不同,光折變表面波在傳播過程中無能量損耗,在這兩種表面波耦合傳播過程中,光折變表面波不斷為表面等離子體激元的吸收損耗補充能量,從而提高表面等離子體激元的傳播距離。而且由于光折變表面波在形成與傳播的同時可自誘導產生波導,因而在光折變介質和金屬界面附近附加了一個可調諧的波導,使得表面等離子體激元的激發(fā)條件被放寬,從而在固定的配置中可激發(fā)多種模式的表面等離子體激

4、元。首先,我們由帶輸運模型推導出光折變晶體中的非線性波方程,數(shù)值計算擴散機制下光折變晶體與空氣界面形成的光折變表面波的穩(wěn)態(tài)解。分析了傳播常數(shù)、暗輻照、背景光等對光折變表面波的模式的影響。本論文還研究了TE模式與TM模式光折變表面波同時存在時的耦合情況。兩種模式的表面波同時存在時可發(fā)生強烈的耦合,光場能量向體內泄露而無法局域在表面。其次,我們提出了分區(qū)快速傅里葉變換光束傳播方法。此方法可以解決傳統(tǒng)的快速傅里葉變換光束傳播方法無法解決的光在

5、折射率變化較大的物質中傳播的情況。我們用此分區(qū)快速傅里葉變換光束傳播方法模擬了擴散機制下的光折變表面波的穩(wěn)定傳播。與線性穩(wěn)定性分析得到的結論一致:擴散機制下的光折變表面波是可以穩(wěn)定傳播的。提出了一種改進的Kretschmann配置,將原配置中的線性電介質棱鏡替換為非線性電介質得到“非線性電介質/金屬/線性電介質”波導配置,在此結構中可激發(fā)并傳播模式和傳播距離可調諧的表面等離子體激元。我們數(shù)值模擬了表面等離子體激元的模式和傳播。結果表明:

6、在本論文的配置中,表面等離子體激元的傳播距離可以從幾十微米到幾十厘米甚至更遠。從理論上講,這種結構可以實現(xiàn)傳播距離無限長。該配置打破了傳統(tǒng)的Kretschmann配置中對表面等離子體激元激發(fā)的固有限制而可以在k0ε31/2>β>k0ε11/2范圍內連續(xù)激發(fā)穩(wěn)態(tài)的表面等離子體激元模式。最后,用轉移矩陣方法從理論上研究了光波在一維“金屬/線性電介質”光子晶體中的傳播特性。通過數(shù)值計算,我們在周期為納米量級的一維“金屬/非線性介質”的周期性結

7、構中計算得到亞波長離散孤子。在這種一維“金屬/非線性介質”的周期性結構與半無限大非線性介質的界面模擬計算得到亞波長表面離散孤子。
　　 本研究主要創(chuàng)新點包括：⑴研究了TM模光折變表面波并分析了TE模與TM模光折變表面波之間的耦合及影響光耦合的因素。然后提出了分區(qū)快速傅里葉變換光傳輸方法,并用此方法模擬擴散機制下的光折變表面波的穩(wěn)定傳播。⑵提出了“非線性電介質/金屬/線性電介質”的表面等離子體激元的激發(fā)和傳播配置,理論上得到了表面