顆粒復(fù)合材料中的高階非線性響應(yīng)和光學(xué)雙穩(wěn).pdf

1、該文著重研究了宏觀非均勻顆粒復(fù)合體系的高階非線性響應(yīng)和光學(xué)雙穩(wěn)現(xiàn)象.顆粒復(fù)合材料是由半導(dǎo)體或金屬微粒散布于膠狀基質(zhì)中構(gòu)成的復(fù)合體系.研究發(fā)現(xiàn),在這類非線性顆粒復(fù)合體系中,由于表面plasmon諧振效應(yīng),即使組分具有較弱的非線性,整個體系卻呈現(xiàn)很強(qiáng)的非線性響應(yīng),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(xué)雙穩(wěn)現(xiàn)象.由于這種非線性復(fù)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(yīng)時間僅和材料本身的響應(yīng)時間和輸運(yùn)時間有關(guān)

2、,從而具有很快的響應(yīng)速度,因此這類復(fù)合材料在全光學(xué)邏輯處理器件等方面有著廣闊的運(yùn)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(fù)合體(非均勻局域場)的有效非線性響應(yīng)X<,e>的解析式,首次給出了有效高次非線性響應(yīng)η<,e>的一般表示式.將這一理論退化運(yùn)用到稀釋極限和Maxwell-Garnett模型,和以往文獻(xiàn)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?jǐn)?shù)p的變化關(guān)系(適用于整個體積分?jǐn)?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?jǐn)?shù)的非線性組分的介電渾數(shù)為復(fù)數(shù)時(即具有介電損耗的復(fù)合材料)體系的有效高次非線性響應(yīng),從理論上說明了即使組分的非線性較弱,卻導(dǎo)致了復(fù)合體系較強(qiáng)的有效非線性響應(yīng)(X<,e>)高次非線性響應(yīng)(η<,e>),指出了在一定的條件下,有效高次非線性響應(yīng)(η<,e>)對整個復(fù)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(fù)合體系的光學(xué)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?jǐn)?shù).在給定的體積分?jǐn)?shù)下,僅當(dāng)退極化因子大于它的臨界值L<,c>時,才能觀察到光學(xué)雙穩(wěn).我們還從理論上推導(dǎo)出雙穩(wěn)的上下域值和雙穩(wěn)帶寬.在研究光學(xué)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(fù)合體系的有效介電常