表面等离子体受激辐射放大技术简介ppt课件.ppt

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1、表面等离子体受激辐射放大技术研究在金属中，价电子为整个晶体所共有，形成所谓费米电子气。价电子可在晶体中移动，而金属离子则被束缚于晶格位置上，但总的电子密度和离子密度是相同的，从整体来说金属是电中性的。人们把这种情况形象地称为“金属离子浸没于电子的海洋中”。这种情况和气体放电中的等离子体相似，因此可以把金属看作是一种电荷密度很高的低温（室温）等离子体，而气体放电中的等离子体是一种高温等离子体，电荷密度比金属中的低。金属板中电子气的位移（上）金属离子（+）位于“电子海洋”中（灰色背景），（下）电子集体向右移动在一个LSP结构中如果存在增益介质，通过表面等离子激元与受激原子

2、间的耦合，可以产生与激光类似的受激放大过程。这就是spaser（surfaceplasmonamplificationbystimulatedemissionofradiatio，表面等离子受激辐射放大）。SPASER是一种表面等离子受激放大辐射的有源激光工作过程。上图将传统的典型3能级产生激光过程（a）与SPASER产生激光激子过程（b）作了对比。（b）描述了利用银纳米壳和增益介质作为工作介质，由外界施加的能量所激发的电子—空穴对在载体分支下释放出激子过程。SPP原理简介因为金属中的价电子可以自由移动，入射光可能激起电子气的纵向振动。如果由于入射电子的作用，金属中电

3、子向右移动了一段距离，因此在右边就有了电子堆积。设ne为电子密度，右边出现的面电荷密度为-nee，左边的面电荷密度为+nee，则金属的极化强度p为：由极化产生的电场Ep为:在这个电场的作用下，电子有向左移的倾向，于是产生了振动。如果不考虑振动能量的衰减，单位体积内的电子气的振动方程式为：式中m为电子的质量，e为电子的电荷量，p为无衰减时的等离子体振动的角频率，则或等离子体子（plasmon，又称等离激元）的量子能量为：对金属来说，ne≈1023/cm3，将此值代入式（5-6），可得金属中等离子体子的量子能量约为：如果考虑了金属内电子的衰减，弛豫时间为τ，在外电

4、场的存在下，电子只沿z方向运动，则电子的运动方程（Drude方程）为：由此可得：代入，则复数介电常数若忽略衰减，即时，有：根据等离子体理论，产生固体等离子体波应满足上节所述的是金属内部的等离子体振动，即体积等离子体振动（Volumeplasmaoscillation）。而在金属表面也存在电荷密度振动，称为表面等离子体振动，其角频率ωs与体积等离子体的不同，它们之间存在以下关系：若金属表面覆盖有介电常数为的薄层，则这种特殊表面的等离子体振动的角频率ms为：spaser量子密度矩阵方程SP的本征模式由波动方程表示：其中n是模式数，Sn是对应的本征值，是特征函数，当r为

5、金属时等于1，r为电介质时为0。本征模式通过对体积V的积分进行归一化，SP的物理频率由方程确定其中是Bergman谱参数，是空气的节点常数，是金属介电常数。SP的电场项为Spaser汉密尔顿函数形式为：式中，是增益介质的汉密尔顿函数，p是增益介质载色体的指标，rp是坐标向量，d（p）是偶极矩项。引入载色体的密度矩阵，通过与汉密尔顿函数交换的方法可以得到它的方程，用标准的旋转波近似，密度矩阵的非对角元素与时间的关系为式中是与时间无关的幅值，确定相干增益介质的第p个载色体内进行spasing转换。引入一个常量来描述偏振豫弛，一个差值作为spasing传输的粒子数反转，我们

6、得到密度矩阵的非对角元素方程：的方程可以用与H交换的标准方式得到。SP的受激辐射可以表述为他们是由增益介质的相干偏振激发。相应的方程可以运用汉密尔顿函数得到，加入的SP豫弛可以得到：这些方程是齐次的，通常有零解，当在某些条件下有奇异解，在物理上是自发对称破缺的结果。通过进一步讨论可知，高品质因数Q，载色体的高密度以及载色体跃迁的大的跃迁偶极子对于spasing的存在很重要。小的模式体积Vn意味着spaser中的强反馈，并且这是一个量子效应，没有经典对应。我们的一些研究设想以双稳态SPASER超快放大器的应用基础为基本目标（1）研究具有激光超快放大、激光并行处理和波分复

7、用、高度可集成、及具有反馈、滤波、耦合等功能的SPASER器件的一般性结构的优化设计方法；（2）研究金属表面离子与增益介质共振产生离子波的物理机制，并建立物理模型；（3）建立双稳态SPASER放大器的量子模型，并确定其工作模式和实现条件；（4）确立评价SPASER性能的指标体系；（5）完成典型SPASER放大器制作和整体性能实验。研究方案的基本技术路线结构设计中的关键问题研究在波导边界条件下双稳态SPASER放大器的工作机理，通过理论分析和数值仿真研究，进一步阐明泵浦-表面等离激元之间的能量转移机制影响因素，确定表面等离激元受激放大辐射的阈值及影响因