三维光场限制表面等离子体激元纳米激光器的设计

摘要

表面等离子体激元（Surface plasmon polaritons，SPPs）是一种表面波，是入射光子和金属（例如金、银等）中电子能量交换而形成并且沿着金属表面传输的电子集体振荡波。基于SPPs激光模式的激光器件就是本文研究的受激表面等离子体激光器(Surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation，SPASER）。本文研究设计基础模型采用低折射率介质、纳米线增益介质和金属介质结合形成混合表面等离子体激元（Hybrid surface plasmonic，HSP）波导。由于混合等离子波导模式在低损耗、高光与物质相互作用方面的优势，基于混合等离子波导的SPASER受到了广泛的关注和研究。然而传统的SPASER往往强调在二维平面内的光限制，对于第三维上的光限制没有研究。因此在进一步提高光与物质相互作用并形成纳米量级的量子光源上存在困难。面对这项挑战，本文研究从增强纳米激光器光场限制能力出发，设计了全三维光场限制能力的表面等离子体纳米激光器。本研究中纳米激光器的设计利用了SPPs模式对模场的增强和模尺寸的良好的限制能力，其中光学谐振腔是基于硫化镉纳米线产生SPPs模式的法布里-珀罗（Fabry-Perot，FP）谐振腔。本文研究独创性的在传统HSP腔体中引入了宇称时间对称原理(Parity-time symmetry)，分析了增加PT对称原理后如何产生第三维度光场限制的机理。从耦合模理论的计算分析出发，成功构建了HSP波导上的第三维度的光场限制模型。本文利用了有限元仿真软件COMSOL Multiphysics数值仿真的研究方法，对所设计的拥有全三维光场限制能力的等离子纳米激光器进行了三维数值仿真分析。数值仿真严格构建了仿真模型并对材料等效折射率、不同增益损耗条件下的三维光场分布、场能量数值和有效模式体积进行了全面分析。通过一系列仿真分析验证了本文研究所设计的等离子纳米激光器的全三维光场限制能力。我们知道珀塞尔因子（Purcell factor）是体现光与物质相互作用的重要参数，可以将其简单理解为Q值（Quality factor）与有效模式体积（Effective mode volume）的比值。本研究设计的结合PT对称原理的 HSP波导结构纳米激光器的有效模式体积降低到了0.00169μm3，这是传统HSP波导结构纳米激光器的五分之一。这也意味着本文研究的设计突破了行业设计极限，实现了表面等离子激元纳米激光器的三维光场限制设计，为微纳米光子集成技术的发展提供了帮助。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题的来源、背景及其意义

1.2 等离子激光器的研究现状

1.3 本论文主要研究工作

第2章 等离子激光器设计参数的表征方法研究

2.1 等离子激光的亚波长的光限制理论

2.2 纳米激光器表征参数

2.3 激光表征参数

2.4 宇称时间对称原理

2.4 本章小结

第3章 基于宇称时间对称的三维光场限制设计

3.1 引言

3.2 三维光场限制参数设计

3.3 三维建模设计及仿真

3.4 三维仿真光场图

3.5 本章小结

第4章 等离子纳米激光器的三维光限制性能分析

4.1 引言

4.2 第三维光限制机制分析

4.3 数值仿真结果分析

4.4 材料性质仿真分析补充

4.5 三维光限制混合等离子体激光器应用分析

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

声明

致谢