表面等離子體受激輻射放大技術(shù)簡介

1、表面等離子體受激輻射放大技術(shù)表面等離子體受激輻射放大技術(shù)研究研究 在金屬中，價(jià)電子為整個(gè)晶體所在金屬中，價(jià)電子為整個(gè)晶體所共有，形成所謂費(fèi)米電子氣。價(jià)電共有，形成所謂費(fèi)米電子氣。價(jià)電子可在晶體中移動(dòng)，而金屬離子則子可在晶體中移動(dòng)，而金屬離子則被束縛于晶格位置上，但總的電子被束縛于晶格位置上，但總的電子密度和離子密度是相同的，從整體密度和離子密度是相同的，從整體來說金屬是電中性的。人們把這種來說金屬是電中性的。人們把這種情況形象地稱為情況形象地稱為“金屬離子浸沒于金屬離子浸沒于電子的海洋中電子的海洋中”。這種情況和氣體。這種情況和氣體放電中的等離子體相似，因此可以放電中的等離子體相似，因此可以把

2、金屬看作是一種電荷密度很高的把金屬看作是一種電荷密度很高的低溫（室溫）等離子體，而氣體放低溫（室溫）等離子體，而氣體放電中的等離子體是一種高溫等離子電中的等離子體是一種高溫等離子體，電荷密度比金屬中的低。體，電荷密度比金屬中的低。金屬板中電子氣的位移 （上）金屬離子（上）金屬離子（+）位于）位于“電子海洋電子海洋”中（灰中（灰色背景），（下）電子集體向右移動(dòng)色背景），（下）電子集體向右移動(dòng) 在一個(gè)LSP結(jié)構(gòu)中如果存在增益介質(zhì)，通過表面等離子激元與受激原子間的耦合，可以產(chǎn)生與激光類似的受激放大過程。這就是spaser（surface plasmon amplification by stimul

3、ated emission of radiatio，表面等離子受激輻射放大） 。 SPASER是一種表面等離子受激放大輻射的有源激光工作過程。上圖將傳統(tǒng)的典型3能級(jí)產(chǎn)生激光過程（a）與SPASER產(chǎn)生激光激子過程（b）作了對(duì)比。（b）描述了利用銀納米殼和增益介質(zhì)作為工作介質(zhì)，由外界施加的能量所激發(fā)的電子空穴對(duì)在載體分支下釋放出激子過程。 SPP原理簡介 因?yàn)榻饘僦械膬r(jià)電子可以自由移動(dòng)，入射光可能激起電子氣的縱向振動(dòng)。因?yàn)榻饘僦械膬r(jià)電子可以自由移動(dòng)，入射光可能激起電子氣的縱向振動(dòng)。 如果由于入射電子的作用，金屬中電子向右移動(dòng)了一段距離如果由于入射電子的作用，金屬中電子向右移動(dòng)了一段距離 ，因此在

4、右邊，因此在右邊就有了電子堆積。設(shè)就有了電子堆積。設(shè)n ne e為電子密度，右邊出現(xiàn)的面電荷密度為為電子密度，右邊出現(xiàn)的面電荷密度為-n-ne ee e ，左邊，左邊的面電荷密度為的面電荷密度為+ +n ne ee e ，則金屬的極化強(qiáng)度，則金屬的極化強(qiáng)度p p為：為： 由極化產(chǎn)生的電場由極化產(chǎn)生的電場EpEp為為: : 在這個(gè)電場的作用下，電子有向左移的傾向，于是產(chǎn)生了振動(dòng)。如果不考在這個(gè)電場的作用下，電子有向左移的傾向，于是產(chǎn)生了振動(dòng)。如果不考慮振動(dòng)能量的衰減，單位體積內(nèi)的電子氣的振動(dòng)方程式為：慮振動(dòng)能量的衰減，單位體積內(nèi)的電子氣的振動(dòng)方程式為： 式中式中m m為電子的質(zhì)量，為電子的質(zhì)量，

5、e e為電子的電荷量，為電子的電荷量， p p為無衰減時(shí)的等離子體振動(dòng)為無衰減時(shí)的等離子體振動(dòng)的角頻率，則的角頻率，則 enpeenpEep4422224eneEndtdmnepee0222pdtd或或等離子體子（等離子體子（plasmonplasmon，又稱等離激元）的量子能量為：，又稱等離激元）的量子能量為：對(duì)金屬來說，對(duì)金屬來說，n ne e10102323/cm/cm3 3，將此值代入式（，將此值代入式（5-65-6），可得金屬中等離子），可得金屬中等離子體子的量子能量約為：體子的量子能量約為：如果考慮了金屬內(nèi)電子的衰減，弛豫時(shí)間為如果考慮了金屬內(nèi)電子的衰減，弛豫時(shí)間為，在外電場，在外

6、電場的存在下，電子只沿的存在下，電子只沿z z方向運(yùn)動(dòng)，則電子的運(yùn)動(dòng)方程（方向運(yùn)動(dòng)，則電子的運(yùn)動(dòng)方程（DrudeDrude方程）為：方程）為： 212)4(menep212)4(menepeVp10)exp(0tiEE)exp(02222tieEdtdmdtdm由此可得：由此可得： 代入代入 ，則復(fù)數(shù)介電常數(shù)，則復(fù)數(shù)介電常數(shù)若忽略衰減，即若忽略衰減，即 時(shí)，有：時(shí)，有：根據(jù)等離子體理論，產(chǎn)生固體等離子體波應(yīng)滿足根據(jù)等離子體理論，產(chǎn)生固體等離子體波應(yīng)滿足Eime1112enpe11111114141)(2222*iimenpe122*1)(p0)(*上節(jié)所述的是金屬內(nèi)部的等離子體振動(dòng)，即體積等離

7、子體振動(dòng)（上節(jié)所述的是金屬內(nèi)部的等離子體振動(dòng)，即體積等離子體振動(dòng)（Volume Volume plasma oscillationplasma oscillation）。而在金屬表面也存在電荷密度振動(dòng)，稱為表面）。而在金屬表面也存在電荷密度振動(dòng)，稱為表面等離子體振動(dòng)，其角頻率等離子體振動(dòng)，其角頻率s s與體積等離子體的不同，它們之間存在以下與體積等離子體的不同，它們之間存在以下關(guān)系：關(guān)系：若金屬表面覆蓋有介電常數(shù)為若金屬表面覆蓋有介電常數(shù)為 的薄層，則這種特殊表面的等離子體振的薄層，則這種特殊表面的等離子體振動(dòng)的角頻率動(dòng)的角頻率 msms為：為：2ps1pmsspaser量子密度矩陣方程 SP

8、的本征模式 由波動(dòng)方程表示： 其中n是模式數(shù)，Sn是對(duì)應(yīng)的本征值，是特征函數(shù)，當(dāng)r為金屬時(shí)等于1，r為電介質(zhì)時(shí)為0。 rn r 本征模式通過對(duì)體積V的積分進(jìn)行歸一化，SP的物理頻率由方程 確定 其中 是Bergman譜參數(shù)，是空氣的節(jié)點(diǎn)常數(shù)， 是金屬介電常數(shù)。 SP的電場項(xiàng)為nnssRe mdds/dm Spaser漢密爾頓函數(shù)形式為： 式中，是增益介質(zhì)的漢密爾頓函數(shù)，p是增益介質(zhì)載色體的指標(biāo)，rp是坐標(biāo)向量，d（p）是偶極矩項(xiàng)。 nnnddss/RegH 引入載色體的密度矩陣，通過與漢密爾頓函數(shù)交換的方法可以得到它的方程，用標(biāo)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)波近似 ，密度矩陣的非對(duì)角元素與時(shí)間的關(guān)系為 式中 是與時(shí)

9、間無關(guān)的幅值，確定相干增益介質(zhì)的第p個(gè)載色體內(nèi)進(jìn)行spasing轉(zhuǎn)換。引入一個(gè)常量 來描述偏振豫弛，一個(gè)差值 作為spasing傳輸?shù)牧Ｗ訑?shù)反轉(zhuǎn)，我們得到密度矩陣的非對(duì)角元素方程： tipexp1212 12 pppn11222112 的方程可以用與H交換的標(biāo)準(zhǔn)方式得到。 pn21 SP的受激輻射可以表述為他們是由增益介質(zhì)的相干偏振激發(fā)。相應(yīng)的方程可以運(yùn)用漢密爾頓函數(shù)得到，加入 的SP豫弛可以得到： 這些方程是齊次的，通常有零解，當(dāng)在某些條件下有奇異解，在物理上是自發(fā)對(duì)稱破缺的結(jié)果。 n 通過進(jìn)一步討論可知，高品質(zhì)因數(shù)Q，載色體的高密度以及載色體躍遷的大的躍遷偶極子對(duì)于spasing的存在很重

10、要。 小的模式體積Vn意味著spaser中的強(qiáng)反饋 ，并且這是一個(gè)量子效應(yīng)，沒有經(jīng)典對(duì)應(yīng)。我們的一些研究設(shè)想 以雙穩(wěn)態(tài)SPASER超快放大器的應(yīng)用基礎(chǔ)為基本目標(biāo) （1）研究具有激光超快放大、激光并行處理和波分復(fù)用、高度可集成、及具有反饋、濾波、耦合等功能的SPASER器件的一般性結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法； （2）研究金屬表面離子與增益介質(zhì)共振產(chǎn)生離子波的物理機(jī)制，并建立物理模型； （3）建立雙穩(wěn)態(tài)SPASER放大器的量子模型，并確定其工作模式和實(shí)現(xiàn)條件； （4）確立評(píng)價(jià)SPASER性能的指標(biāo)體系； （5）完成典型SPASER放大器制作和整體性能實(shí)驗(yàn)。研究方案的基本技術(shù)路線 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題 研究

11、在波導(dǎo)邊界條件下雙穩(wěn)態(tài)SPASER放大器的工作機(jī)理，通過理論分析和數(shù)值仿真研究，進(jìn)一步闡明泵浦-表面等離激元之間的能量轉(zhuǎn)移機(jī)制影響因素，確定表面等離激元受激放大輻射的閾值及影響因素，實(shí)現(xiàn)表面等離激元受激放大輻射的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 研究SP腔共振模式和Q值特性，特別是在附加輸入輸出結(jié)構(gòu)條件下，對(duì)SP波模式和Q值的影響，確立結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)與器件性能的關(guān)系，尋找這類器件的通用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。 由于SPASER與傳輸結(jié)構(gòu)的SP波耦合不是直接與空間電磁波耦合，其耦合效率要通過專門計(jì)算確定 器件的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)中繼作用的優(yōu)化表面等離子波在傳輸過程中，由于金屬的歐姆損耗和其他材料吸收作用等會(huì)導(dǎo)致SP波的

12、嚴(yán)重衰減，一般用SP波的傳輸長度作為衡量衰減效應(yīng)的指標(biāo)。如何增加SP波的傳輸長度是目前報(bào)道最多議題之一，利用增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)傳輸長度是被最直接的方法。本項(xiàng)目研究的SPASER雙穩(wěn)態(tài)放大器在SP波信號(hào)傳輸?shù)闹欣^放大性能優(yōu)化除了在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特殊考慮之外，在性能指標(biāo)上進(jìn)行了針對(duì)性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。要保證信號(hào)得到有效放大，應(yīng)首先確定放大器的雙穩(wěn)態(tài)閾值，并研究傳輸部分的衰減性質(zhì)，得到放大器的有效工作范圍。而雙穩(wěn)態(tài)的輸出性能主要由激發(fā)態(tài)的峰值決定。通過對(duì)材料參數(shù)和泵浦強(qiáng)度的調(diào)節(jié)得到合適的放大系數(shù)。從增益介質(zhì)到SP的能量轉(zhuǎn)換速率，SP載色體的馳豫率等一系列馳豫時(shí)間參數(shù)影響到雙穩(wěn)態(tài)的弛豫效應(yīng)，設(shè)計(jì)中，分別用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相

13、結(jié)合的方法測量這些參數(shù)，并對(duì)這些馳豫時(shí)間參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如在重點(diǎn)考慮馳豫時(shí)間參數(shù)時(shí)，結(jié)構(gòu)中用金來代替銀。 反饋機(jī)制的優(yōu)化 基于當(dāng)前的納米等離子光學(xué)技術(shù)，特別是無損90度轉(zhuǎn)向波導(dǎo)技術(shù)，為SPASER雙穩(wěn)態(tài)放大器增加反饋通道在技術(shù)上提供了條件，結(jié)構(gòu)中將構(gòu)成一個(gè)基本的SP波反饋放大系統(tǒng)，在這方面開展如下研究： i) 利用納米等離子光學(xué)計(jì)算反饋部分的傳輸矩陣。給出不同反饋結(jié)構(gòu)下的反饋信號(hào)傳輸模型，包括反饋信號(hào)的強(qiáng)度，信號(hào)相位和光相位的傳輸特性； ii)采用金屬-介質(zhì)波導(dǎo)直接將輸出反饋到輸入端，得到信號(hào)波的相干反饋，在相干反饋?zhàn)饔玫幕A(chǔ)上進(jìn)一步研究、建立SP波反饋放大系統(tǒng)的一般性理論； iii)考慮雙穩(wěn)態(tài)放大器的非線性特征，引入反饋系統(tǒng)將會(huì)對(duì)信號(hào)的波形產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)中通過反饋調(diào)節(jié)，優(yōu)化系統(tǒng)的傳輸特性； iv)通過反饋理論討論放大系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件，反饋信號(hào)的相位和SP波相位關(guān)系是重要的影響因素，必須恰當(dāng)調(diào)整和抑制。此外，附加的反饋會(huì)影響到腔的特性，在設(shè)計(jì)中采用了寄生振蕩的抑制方法。 開關(guān)構(gòu)件的優(yōu)化 開關(guān)構(gòu)件的基本功能是利用外部泵浦的有無來有效地控制雙穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)換從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)上的開關(guān)作用，并進(jìn)一步組成邏輯門。當(dāng)SPASER雙穩(wěn)態(tài)放大器得到有效泵浦時(shí)，具備一定強(qiáng)度的信號(hào)會(huì)順利通過并得到放大。當(dāng)泵浦消失，放大區(qū)介質(zhì)會(huì)表現(xiàn)為對(duì)信號(hào)波的吸收，加上傳輸部分的衰減，信號(hào)會(huì)削弱。通過