复合微纳多层结构中模式色散与能流特性研究

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1、理学硕士学位论文复合微纳多层结构中模式色散与能流特性研究STUDYONMODEDISPERSIONANDENERGYFLOWPROPERTIESINMIRO-NANOCOMPOSITEMULTILAYERSTRUCTURE高田芳哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：O436学校代码：10213国际图书分类号：535密级：公开理学硕士学位论文复合微纳多层结构中模式色散与能流特性研究硕士研究生：高田芳导师：姜向前副教授申请学位：理学硕士学科：光学所在单位：物理系答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工

2、业大学ClassifiedIndex:O436U.D.C:535DissertationfortheMasterDegreeinScienceSTUDYONMODEDISPERSIONANDENERGYFLOWPROPERTIESINMIRO-NANOCOMPOSITEMULTILAYERSTRUCTURECandidate：GaoTianfangSupervisor：Assoc.Pro.JiangXiangqianAcademicDegreeAppliedfor：MasterofScienceSpecial

3、ity：OpticsAffiliation：SchoolofScienceDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学理学硕士学位论文摘要波导中电磁场的传输与控制是纳米光子学中一个重要研究内容，对于实现基于纳米结构的全光集成功能器件具有重要的意义。结构中表面等离激元的激发导致局域场增强效应，而局域场的增强将导致非线性效应出现，进而影响结构的光学特性。本论文分别针对金属和石墨烯复合非

4、线性波导结构，研究了结构中的电磁模式分布与能流特性。首先针对金属/非线性电介质/金属波导结构，考虑克尔介质，从麦克斯韦方程出发推导了金属与非线性介质中电磁场满足的方程。由电磁场的连续性条件给出了结构中表面等离激元模式的精确色散关系，并讨论了非线性系数对色散关系的影响，研究发现随着非线性系数的增加，色散曲线将向低频部分偏折。由色散关系可知结构中存在三种模式，即对称模式、反对称模式及非对称模式，进而给出了与三种模式相对应电磁场分布、介电常数分布。由于石墨烯独特的电学、光学特性，引入石墨烯代替金属，针对石墨烯/非线

5、性电介质界面给出了表面等离激元的色散关系。进而扩展到石墨烯/非线性电介质/石墨烯波导结构，从麦克斯韦方程出发理论推导它的精确色散关系，研究了非线性系数对结构中模式分布及电磁场分布的影响。色散关系图表明在该结构中同样存在三种模式，即对称模式、反对称模式及非对称模式，并且给出与三种模式相对应的电磁场分布与介电常数分布。倏逝波具有非零自旋能流，在空气/金属、金属/电介质/金属波导结构中引入自旋与轨道能流，分别计算了其中存在的自旋、轨道能流与总能流，研究了能流与模式色散之间的关系。关键词：非线性波导；克尔介质；石墨烯

6、；模式色散；自旋-I-哈尔滨工业大学理学硕士学位论文AbstractForscientistsworkinginnanophotonics,itisachallengetocontroloftransmittingandmanipulatingtheopticalenergyflowonanonscale,whichprovidesaninsightfulpictureofgettingtheall-opticaldivices.Duetothestrongconfinementandlargefielden

7、hancementoftheSPPwaveinmiro-nanocompositemultilayerstructure,itwillleadtononlineareffectsinthenonlinear-dielectricandhasaneffectontheopticalpropertiesofmultilayerstructure.Inthisarticle,WepresenttheexactdispersionrelationandthenonlinearmodesfortheTMsurfacep

8、lasmonpolaritonmodesofnonlinearwaveguideconstitutedbyanonlinearKerrmediumsandwichedbetweentwometallicslabsorbetweendouble-layergraphene.ConsideringaTMmodeofaloss-lessmetal/Kerrmedium/metal,wecandriveex