光折變表面波及其在表面等離子體激元長程傳播中的應(yīng)用.pdf

1、光折變表面波是一種可沿光折變介質(zhì)表面自誘導(dǎo)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(dǎo)致光能量可被約束在光折變介質(zhì)近表面狹層空間。由于其高能量密度和可沿直線傳播而實(shí)現(xiàn)的相位匹配,使各種表面非線性光學(xué)效應(yīng)得以增強(qiáng)。因此,光折變表面波在波導(dǎo)制備、諧波產(chǎn)生和集成光學(xué)器件設(shè)計(jì)等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。表面等離子體激元是一種沿著金屬與電介質(zhì)的界面?zhèn)鞑サ谋砻骐姶挪āＫ哂惺构鈴?qiáng)烈局域化,對與金屬相鄰介質(zhì)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(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。但是由于金屬內(nèi)部有強(qiáng)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(gè)微米)。這極大地限制了表面等離子體激元的應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)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(yīng)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(diào)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(bǔ)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(shí)可自誘導(dǎo)產(chǎn)生波導(dǎo),因而在光折變介質(zhì)和金屬界面附近附加了一個(gè)可調(diào)諧的波導(dǎo),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(yùn)模型推導(dǎo)出光折變晶體中的非線性波方程,數(shù)值計(jì)算擴(kuò)散機(jī)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(shí)存在時(shí)的耦合情況。兩種模式的表面波同時(shí)存在時(shí)可發(fā)生強(qiáng)烈的耦合,光場能量向體內(nèi)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(zhì)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(kuò)散機(jī)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(jié)論一致:擴(kuò)散機(jī)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(jìn)的Kretschmann配置,將原配置中的線性電介質(zhì)棱鏡替換為非線性電介質(zhì)得到“非線性電介質(zhì)/金屬/線性電介質(zhì)”波導(dǎo)配置,在此結(jié)構(gòu)中可激發(fā)并傳播模式和傳播距離可調(diào)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(jié)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(yuǎn)。從理論上講,這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)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(nèi)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(zhuǎn)移矩陣方法從理論上研究了光波在一維“金屬/線性電介質(zhì)”光子晶體中的傳播特性。通過數(shù)值計(jì)算,我們在周期為納米量級的一維“金屬/非線性介質(zhì)”的周期性結(jié)

7、構(gòu)中計(jì)算得到亞波長離散孤子。在這種一維“金屬/非線性介質(zhì)”的周期性結(jié)構(gòu)與半無限大非線性介質(zhì)的界面模擬計(jì)算得到亞波長表面離散孤子。
　　 本研究主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)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(kuò)散機(jī)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(zhì)/金屬/線性電介質(zhì)”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