飞秒表面等离激元脉冲的慢光效应及群速度控制研究

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表面等离激元(Surface Plasmons,SPs)是存在于金属与电介质界面的一种特殊形式的电磁场,能突破光的衍射限制,被认为是下一代集成光子线路的潜在信息载体。慢光是指光传播的群速度远小于真空中的光速,它在光的延迟线、光存储和提高干涉仪灵敏度等方面有着潜在的应用。SPs的慢光效应同时具有SPs和慢光的特点,因此引起了广泛的关注。由于实现慢光效应的SPs波导通常具有较强的正常色散效应,飞秒SPs脉冲在其中传输过程中将会发生变形失真,影响传输速率和传输距离。基于上述原因,本文讨论了色散对飞秒SPs脉冲宽度的影响、SPs慢光效应以及SPs脉冲群速度的控制问题,提出了几种控制飞秒SPs脉冲群速度的方法。具体工作内容概括如下:
　　首先,研究了波导的损耗色散对飞秒SPs脉冲传输的影响。通过分析损耗色散对飞秒SPs脉冲频谱的影响,得到了损耗色散引起的脉冲展宽或变窄的条件。在此基础上,利用损耗色散引起的脉冲变窄,根据一阶布拉格条件设计了损耗色散曲线具有损耗峰的超晶格,实现了群速度色散引起的脉冲展宽效应和损耗色散引起的脉冲变窄效应的平衡。这一研究内容为飞秒SPs脉冲展宽的分析提供了理论依据。
　　其次,在含缺陷层的超晶格中实现了脉冲宽度对飞秒SPs脉冲的群速度控制。根据Kramers-Kronig色散关系,在透射峰对应频率附近,结构呈现较强的正常色散效应,这恰好满足SPs慢光效应的产生条件。为此,在超晶格中引入缺陷层,根据法布里-珀罗腔的共振条件确定了缺陷层的长度,使超晶格的透射峰对应频率为193.5THz。基于特征阻抗的传输矩阵理论,通过计算证实了中心频率在193.5THz附近的SPs脉冲在超晶格中传输的群速度减慢。在此基础上,利用不同频率SPs的群速度差异以及脉冲宽度变化导致的脉冲频谱的改变,实现了利用入射脉冲宽度对飞秒SPs脉冲在超晶格中传输的群速度控制。通过时域有限差分方法计算表明:随着脉冲宽度的增加,群速度由0.51c减小到0.13c。此外,利用损耗色散引起脉冲展宽及群速度色散和高阶色散理论分析了脉冲展宽的物理机制。
　　再次,针对入射脉冲宽度对飞秒SPs脉冲群速度调节过程中脉冲展宽较大以及群速度调节范围有限的不足,提出了利用非线性克尔效应对飞秒SPs脉冲在超晶格中传输群速度的大范围调节。利用时域有限差分方法计算了超晶格中缺陷层两侧布拉格反射器的周期N对归一化带宽延迟积的影响,确定了N的大小,获得了较大的相对带宽延迟积,很大程度上降低了SPs脉冲在超晶格中传输时脉冲展宽较大的问题,并且给出了物理解释。在此基础上,将缺陷层的线性介质换成克尔非线性介质,由法布里-珀罗腔的共振条件和Kramers-Kronig色散关系,SPs电场强度的增加最终导致频率为193.5THz的SPs脉冲群速度的大范围变化。实现了利用入射脉冲的峰值强度对飞秒SPs脉冲群速度的大范围调节。利用时域有限差分方法计算表明:随着入射脉冲峰值强度的增大,群速度由0.24c增大到0.9c。
　　最后,在克尔非线性介质/金属波导中实现了可见光频率范围内飞秒SPs脉冲群速度的精细调节。在趋近于表面等离激元频率附近,克尔非线性介质/金属波导呈现较强的正常色散效应,飞秒SPs脉冲的群速度将减慢,并且由于克尔非线性介质相对介电常数的变化将引起SPs群速度的微小改变。因此,利用入射脉冲峰值强度变化在克尔非线性介质/金属波导中实现了SPs脉冲的群速度精细调节。利用时域有限差分方法计算了飞秒SPs脉冲的群速度随入射脉冲峰值强度的变化关系,验证了方法的正确性。此外,分析了群速度色散效应和自相位调制效应对脉冲宽度影响的物理机制。

著录项

作者
李春雷;
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作者单位

哈尔滨工业大学;

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授予单位哈尔滨工业大学;
学科光学
授予学位博士
导师姓名王玉晓;
年度 2013
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总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类激光物理和基本理论;
关键词
飞秒脉冲; 表面等离激元; 慢光效应; 群速度控制; 色散损耗;

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