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)研究,,,,,,在金屬中，價電子為整個晶體所共有，形成所謂費米電子氣。價電子可在晶體中移動，而金屬離子則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，從整體來說金屬是電中性的。人們把這種情況形象地稱為“金屬離子浸沒于電子的海洋中”。這種情況和氣體放電中的等離子體相似，因此可以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。,金屬板中電

2、子氣的位移,（上）金屬離子（+）位于“電子海洋”中（灰色背景），（下）電子集體向右移動,,,,,,,,,在一個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 stimulated 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

3、激光工作過程。上圖將傳統(tǒng)的典型3能級產(chǎn)生激光過程（a）與SPASER產(chǎn)生激光激子過程（b）作了對比。（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—空穴對在載體分支下釋放出激子過程。,SPP原理簡介,,,因為金屬中的價電子可以自由移動，入射光可能激起電子氣的縱向振動。如果由于入射電子的作用，金屬中電子向右移動了一段距離?，因此在右邊就有了電子堆積。設(shè)ne為電子密度，右邊出現(xiàn)的面電荷密度為-nee?，左邊的

4、面電荷密度為+nee?，則金屬的極化強度p為：由極化產(chǎn)生的電場Ep為:在這個電場的作用下，電子有向左移的傾向，于是產(chǎn)生了振動。如果不考慮振動能量的衰減，單位體積內(nèi)的電子氣的振動方程式為： 式中m為電子的質(zhì)量，e為電子的電荷量，?p為無衰減時的等離子體振動的角頻率，則,,,,,或,等離子體子（plasmon，又稱等離激元）的量子能量為：對金屬來說，ne≈1023/cm3，將此值代入式（5-6），可得金屬中等

5、離子體子的量子能量約為：如果考慮了金屬內(nèi)電子的衰減，弛豫時間為τ，在外電場的存在下，電子只沿z方向運動，則電子的運動方程（Drude方程）為：,,,,,,由此可得： 代入 ，則復(fù)數(shù)介電常數(shù)若忽略衰減，即 時，有：根據(jù)等離子體理論，產(chǎn)生固體等離子體波應(yīng)滿足,,,,,,,上節(jié)所述的是金屬內(nèi)部的等離子體振動，即體積等離子體振動（Volume plasma osci

6、llation）。而在金屬表面也存在電荷密度振動，稱為表面等離子體振動，其角頻率ωs與體積等離子體的不同，它們之間存在以下關(guān)系：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動的角頻率?ms為：,,,,,,,,,,,,,,,,,,spaser量子密度矩陣方程,SP的本征模式 由波動方程表示：其中n是模式數(shù)，Sn是對應(yīng)的本征值，是特征函數(shù)，當(dāng)r為金屬時等于1，r為電介質(zhì)時為0。,,,,本征模式通

7、過對體積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)點常數(shù)， 是金屬介電常數(shù)。 SP的電場項為,,,,,,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。,,,,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

8、的方程，用標(biāo)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)波近似 ，密度矩陣的非對角元素與時間的關(guān)系為 式中 是與時間無關(guān)的幅值，確定相干增益介質(zhì)的第p個載色體內(nèi)進(jìn)行spasing轉(zhuǎn)換。引入一個常量 來描述偏振豫弛，一個差值 作為spasing傳輸?shù)牧Ｗ訑?shù)反轉(zhuǎn)，我們得到密度矩陣的非對角元素方程：,,,,,,的方程可以用與H交換的標(biāo)準(zhǔn)方式得到。,,,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)

9、。相應(yīng)的方程可以運用漢密爾頓函數(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)對稱破缺的結(jié)果。,,,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于spasing的存在很重要。小的模式體積Vn意味著spaser中的強反饋 ，并且這是一個量子效應(yīng)，沒有經(jīng)典對應(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

10、）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現(xiàn)條件；（4）確立評價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驗。,,,,研究方案的基本技術(shù)路線,,,結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵問題

11、,研究在波導(dǎo)邊界條件下雙穩(wěn)態(tài)SPASER放大器的工作機理，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。,,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)計方法。 由于SPASER與傳輸結(jié)構(gòu)的SP波耦

12、合不是直接與空間電磁波耦合，其耦合效率要通過專門計算確定,器件的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計,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導(dǎo)致SP波的嚴(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道最多議題之一，利用增益介質(zhì)實現(xiàn)傳輸長度是被最直接的方法。本項目研究的SPASER雙穩(wěn)態(tài)放大器在SP波信號傳輸?shù)闹欣^放大性能優(yōu)化除了在結(jié)構(gòu)設(shè)計特殊考慮之外，在性能指標(biāo)上進(jìn)行了針

13、對性基礎(chǔ)實驗。要保證信號得到有效放大，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。通過對材料參數(shù)和泵浦強度的調(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間參數(shù)影響到雙穩(wěn)態(tài)的弛豫效應(yīng)，設(shè)計中，分別用數(shù)值模擬和實驗相結(jié)合的方法測量這些參數(shù)，并對這些馳豫時間參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如在重點考慮馳豫時間參數(shù)時，結(jié)構(gòu)中用金來代替銀

14、。,,反饋機制的優(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)下的反饋信號傳輸模型，包括反饋信號的強度，信號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，得到信號波的相干反饋，在相干反饋作用的基礎(chǔ)上進(jìn)一步

15、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)將會對信號的波形產(chǎn)生影響，設(shè)計中通過反饋調(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，附加的反饋會影響到腔的特性，在設(shè)計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)換從而實現(xiàn)光學(xué)上的

16、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，具備一定強度的信號會順利通過并得到放大。當(dāng)泵浦消失，放大區(qū)介質(zhì)會表現(xiàn)為對信號波的吸收，加上傳輸部分的衰減，信號會削弱。通過計算無泵浦時的衰減率，可以初步估算到器件開關(guān)特性的信號強度區(qū)間。通過對脈沖泵浦下反轉(zhuǎn)粒子數(shù)時間特性的研究，結(jié)合雙穩(wěn)態(tài)放大器的馳豫特性，討論器件的開關(guān)速率。邏輯門的構(gòu)建則涉及到利用信號控制泵浦脈沖的問題，為此信號與泵浦的時序問題在設(shè)計中已經(jīng)考慮。,