發(fā)布時(shí)間：2017-09-04 04:01

  本文關(guān)鍵詞：三維光場限制表面等離子體激元納米激光器的設(shè)計(jì)

  更多相關(guān)文章： 等離子納米激光器 有效模式體積 三維光局域化限制 宇稱時(shí)間對稱 集成納米器件

【摘要】：表面等離子體激元(Surface plasmon polaritons,SPPs)是一種表面波,是入射光子和金屬(例如金、銀等)中電子能量交換而形成并且沿著金屬表面?zhèn)鬏數(shù)碾娮蛹w振蕩波�；赟PPs激光模式的激光器件就是本文研究的受激表面等離子體激光器(Surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation,SPASER)。本文研究設(shè)計(jì)基礎(chǔ)模型采用低折射率介質(zhì)、納米線增益介質(zhì)和金屬介質(zhì)結(jié)合形成混合表面等離子體激元(Hybrid surface plasmonic,HSP)波導(dǎo)。由于混合等離子波導(dǎo)模式在低損耗、高光與物質(zhì)相互作用方面的優(yōu)勢,基于混合等離子波導(dǎo)的SPASER受到了廣泛的關(guān)注和研究。然而傳統(tǒng)的SPASER往往強(qiáng)調(diào)在二維平面內(nèi)的光限制,對于第三維上的光限制沒有研究。因此在進(jìn)一步提高光與物質(zhì)相互作用并形成納米量級的量子光源上存在困難。面對這項(xiàng)挑戰(zhàn),本文研究從增強(qiáng)納米激光器光場限制能力出發(fā),設(shè)計(jì)了全三維光場限制能力的表面等離子體納米激光器。本研究中納米激光器的設(shè)計(jì)利用了SPPs模式對模場的增強(qiáng)和模尺寸的良好的限制能力,其中光學(xué)諧振腔是基于硫化鎘納米線產(chǎn)生SPPs模式的法布里-珀羅(Fabry-Perot,FP)諧振腔。本文研究獨(dú)創(chuàng)性的在傳統(tǒng)HSP腔體中引入了宇稱時(shí)間對稱原理(Parity-time symmetry),分析了增加PT對稱原理后如何產(chǎn)生第三維度光場限制的機(jī)理。從耦合模理論的計(jì)算分析出發(fā),成功構(gòu)建了HSP波導(dǎo)上的第三維度的光場限制模型。本文利用了有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics數(shù)值仿真的研究方法,對所設(shè)計(jì)的擁有全三維光場限制能力的等離子納米激光器進(jìn)行了三維數(shù)值仿真分析。數(shù)值仿真嚴(yán)格構(gòu)建了仿真模型并對材料等效折射率、不同增益損耗條件下的三維光場分布、場能量數(shù)值和有效模式體積進(jìn)行了全面分析。通過一系列仿真分析驗(yàn)證了本文研究所設(shè)計(jì)的等離子納米激光器的全三維光場限制能力。我們知道珀塞爾因子(Purcell factor)是體現(xiàn)光與物質(zhì)相互作用的重要參數(shù),可以將其簡單理解為Q值(Quality factor)與有效模式體積(Effective mode volume)的比值。本研究設(shè)計(jì)的結(jié)合PT對稱原理的HSP波導(dǎo)結(jié)構(gòu)納米激光器的有效模式體積降低到了0.00169μm3,這是傳統(tǒng)HSP波導(dǎo)結(jié)構(gòu)納米激光器的五分之一。這也意味著本文研究的設(shè)計(jì)突破了行業(yè)設(shè)計(jì)極限,實(shí)現(xiàn)了表面等離子激元納米激光器的三維光場限制設(shè)計(jì),為微納米光子集成技術(shù)的發(fā)展提供了幫助。
【關(guān)鍵詞】：等離子納米激光器 有效模式體積 三維光局域化限制 宇稱時(shí)間對稱 集成納米器件
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN248
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 緒論8-20
• 1.1 課題的來源、背景及其意義8-10
• 1.2 等離子激光器的研究現(xiàn)狀10-18
• 1.2.1 單界面等離子體激光結(jié)構(gòu)器件11-13
• 1.2.2 核殼結(jié)構(gòu)SPASER納米激光器13-14
• 1.2.3 腔量子電動(dòng)力學(xué)與等離子激光的性質(zhì)研究14-17
• 1.2.4 研究現(xiàn)狀簡析17-18
• 1.3 本論文主要研究工作18-20
• 第2章 等離子激光器設(shè)計(jì)參數(shù)的表征方法研究20-29
• 2.1 等離子激光的亞波長的光限制理論20
• 2.2 納米激光器表征參數(shù)20-23
• 2.2.1 有效折射率21-22
• 2.2.2 傳輸介質(zhì)的增益損耗表征22
• 2.2.3 有效模式體積22-23
• 2.3 激光表征參數(shù)23-25
• 2.3.1 激光模式23-25
• 2.3.2 模式數(shù)25
• 2.4 宇稱時(shí)間對稱原理25-28
• 2.4.1 宇稱時(shí)間對稱性25-27
• 2.4.2 系統(tǒng)EP點(diǎn)27-28
• 2.5 本章小結(jié)28-29
• 第3章 基于宇稱時(shí)間對稱的三維光場限制設(shè)計(jì)29-40
• 3.1 引言29
• 3.2 三維光場限制參數(shù)設(shè)計(jì)29-31
• 3.2.1 耦合波方程及宇稱時(shí)間對稱性仿真29-31
• 3.2.2 參數(shù)值設(shè)置及意義31
• 3.3 三維建模設(shè)計(jì)及仿真31-38
• 3.3.1 基于宇稱時(shí)間對稱的諧振腔設(shè)計(jì)31-32
• 3.3.2 各項(xiàng)參數(shù)賦值32-35
• 3.3.3 完美宇稱時(shí)間對稱下本征值分析35-36
• 3.3.4 準(zhǔn)宇稱時(shí)間對稱下本征值分析36-38
• 3.4 三維仿真光場圖38
• 3.5 本章小結(jié)38-40
• 第4章 等離子納米激光器的三維光限制性能分析40-51
• 4.1 引言40
• 4.2 第三維光限制機(jī)制分析40-43
• 4.3 數(shù)值仿真結(jié)果分析43-47
• 4.3.1 光場限制43-45
• 4.3.2 有效模式體積45-47
• 4.4 材料性質(zhì)仿真分析補(bǔ)充47-48
• 4.5 三維光限制混合等離子體激光器應(yīng)用分析48-49
• 4.6 本章小結(jié)49-51
• 結(jié)論51-53
• 參考文獻(xiàn)53-57
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文57-59
• 致謝59

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本文編號：789186