基于混合表面等離子體波導(dǎo)的紫外納米激光器的特性研究.pdf

1、隨著光子集成器件的發(fā)展，表面等離子體技術(shù)引起了眾多研究者的廣泛關(guān)注。表面等離子體激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)是在相對(duì)介電常數(shù)符號(hào)相反的兩種介質(zhì)的界面?zhèn)鞑サ囊环N表面電磁波模式。它的表面波特性使得光能夠被緊緊的限制在界面處。同時(shí)它在空間尺寸上遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自由空間波長(zhǎng)，從而不再受限于衍射極限。而表面等離子體波導(dǎo)具有不同于傳統(tǒng)光波導(dǎo)的特性，它能突破衍射極限，實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)限制。在眾多類(lèi)型的表面等離子體波導(dǎo)中，混

2、合表面等離子體波導(dǎo)兼具較強(qiáng)的光場(chǎng)限制能力和較低的傳輸損耗，體現(xiàn)出了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。另外，現(xiàn)行此類(lèi)研究成果的工作波長(zhǎng)大都是在紅外線和可見(jiàn)光波段。然而，紫外波段下的波導(dǎo)具有更廣泛的應(yīng)用前景，例如：光通信、生物醫(yī)學(xué)等方面。本文根據(jù)表面等離子體與表面等離子體波導(dǎo)理論，在紫外波長(zhǎng)下（工作波長(zhǎng)為390nm）設(shè)計(jì)了一種新型的帶有金屬脊的混合表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并利用有限元法對(duì)其特性進(jìn)行了深入研究。將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于納米激光器，研究了激光器的電場(chǎng)分布和特性

3、參數(shù)。該結(jié)構(gòu)為小型化和集成化的納米設(shè)備提供了技術(shù)支持，在生物醫(yī)學(xué)和光通信等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
　　本文的主要工作如下：
　　(1)介紹了表面等離子體的發(fā)展歷程和應(yīng)用前景，闡述了表面等離子體與表面等離子體波導(dǎo)理論與研究方法，著重分析了混合表面等離子體波導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)和特性。
　　(2)提出并設(shè)計(jì)了一種新型帶有金屬脊的混合表面等離子體波導(dǎo)，研究了金屬脊的半徑、氟化鎂夾層的厚度以及納米線半徑對(duì)該波導(dǎo)基模特性的影響，分析了該波導(dǎo)

4、的電場(chǎng)分布、模式特性、傳播長(zhǎng)度以及品質(zhì)因數(shù)。結(jié)果表明適當(dāng)調(diào)整幾何參數(shù)可以有效地降低其基模的傳輸損耗，同時(shí)保持超深亞波長(zhǎng)的場(chǎng)限制能力。
　　(3)將所設(shè)計(jì)的混合表面等離子體波導(dǎo)應(yīng)用于紫外納米納米激光器，并研究了相關(guān)特性。簡(jiǎn)要闡述了增益介質(zhì)使表面等離子體放大的原理，并介紹了一些可作為增益介質(zhì)的材料。然后，在COMSOL Multipgysics軟件平臺(tái)上搭建三維數(shù)學(xué)模型，分析該納米激光器的電場(chǎng)分布，并研究了其增益閾值和品質(zhì)因數(shù)。結(jié)果表