表面等离子体受激辐射放大技术简介

1、表面等离子体受激辐射放大技术表面等离子体受激辐射放大技术研究研究 在金属中，价电子为整个晶体所在金属中，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。人们把这种来说金属是电中性的。人们把这种情况形象地称为情况形象地称为“金属离子浸没于金属离子浸没于电子的海洋中电子的海洋中”。这种情况和气体。这种情况和气体放电中的等离子体相似，因此可以放电中的等离子体相似，因此可以把

2、金属看作是一种电荷密度很高的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。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（上）金属离子（+）位于）位于“电子海洋电子海洋”中（灰中（灰色背景），（下）电子集体向右移动色背景），（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间的耦合，可以产生与激光类似的受激放大过程。这就是spaser（surface plasmon amplification by stimul

3、ated emission of radiatio，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。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，金属中电子向右移动了一段距离如果由于入射电子的作用，金属中电子向右移动了一段距离 ，因此在

4、右边，因此在右边就有了电子堆积。设就有了电子堆积。设n ne e为电子密度，右边出现的面电荷密度为为电子密度，右边出现的面电荷密度为-n-ne ee e ，左边，左边的面电荷密度为的面电荷密度为+ +n ne ee e ，则金属的极化强度，则金属的极化强度p p为：为： 由极化产生的电场由极化产生的电场EpEp为为: : 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：虑振动能量的衰减，单位体积内的电子气的振动方程式为： 式中式中m m为电子的质量，为电子的质量，

5、e e为电子的电荷量，为电子的电荷量， p p为无衰减时的等离子体振动为无衰减时的等离子体振动的角频率，则的角频率，则 enpeenpEep4422224eneEndtdmnepee0222pdtd或或等离子体子（等离子体子（plasmonplasmon，又称等离激元）的量子能量为：，又称等离激元）的量子能量为：对金属来说，对金属来说，n ne e10102323/cm/cm3 3，将此值代入式（，将此值代入式（5-65-6），可得金属中等离子），可得金属中等离子体子的量子能量约为：体子的量子能量约为：如果考虑了金属内电子的衰减，弛豫时间为如果考虑了金属内电子的衰减，弛豫时间为，在外电场，在外

6、电场的存在下，电子只沿的存在下，电子只沿z z方向运动，则电子的运动方程（方向运动，则电子的运动方程（DrudeDrude方程）为：方程）为： 212)4(menep212)4(menepeVp10)exp(0tiEE)exp(02222tieEdtdmdtdm由此可得：由此可得： 代入代入 ，则复数介电常数，则复数介电常数若忽略衰减，即若忽略衰减，即 时，有：时，有：根据等离子体理论，产生固体等离子体波应满足根据等离子体理论，产生固体等离子体波应满足Eime1112enpe11111114141)(2222*iimenpe122*1)(p0)(*上节所述的是金属内部的等离子体振动，即体积等离

7、子体振动（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（Volume Volume plasma oscillationplasma oscillation）。而在金属表面也存在电荷密度振动，称为表面）。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，其角频率等离子体振动，其角频率s s与体积等离子体的不同，它们之间存在以下与体积等离子体的不同，它们之间存在以下关系：关系：若金属表面覆盖有介电常数为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的薄层，则这种特殊表面的等离子体振动的角频率动的角频率 msms为：为：2ps1pmsspaser量子密度矩阵方程 SP

8、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为金属时等于1，r为电介质时为0。 rn r 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nnssRe mdds/dm 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。 nnnddss/RegH 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

9、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，我们得到密度矩阵的非对角元素方程： tipexp1212 12 pppn11222112 的方程可以用与H交换的标准方式得到。 pn21 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。 n 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

10、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

11、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素，实现表面等离激元受激放大辐射的纳米复合结构优化设计。 研究SP腔共振模式和Q值特性，特别是在附加输入输出结构条件下，对SP波模式和Q值的影响，确立结构和材料参数与器件性能的关系，寻找这类器件的通用优化设计方法。 由于SPASER与传输结构的SP波耦合不是直接与空间电磁波耦合，其耦合效率要通过专门计算确定 器件的进一步优化设计中继作用的优化表面等离子波在传输过程中，由于金属的欧姆损耗和其他材料吸收作用等会导致SP波的

12、严重衰减，一般用SP波的传输长度作为衡量衰减效应的指标。如何增加SP波的传输长度是目前报道最多议题之一，利用增益介质实现传输长度是被最直接的方法。本项目研究的SPASER双稳态放大器在SP波信号传输的中继放大性能优化除了在结构设计特殊考虑之外，在性能指标上进行了针对性基础实验。要保证信号得到有效放大，应首先确定放大器的双稳态阈值，并研究传输部分的衰减性质，得到放大器的有效工作范围。而双稳态的输出性能主要由激发态的峰值决定。通过对材料参数和泵浦强度的调节得到合适的放大系数。从增益介质到SP的能量转换速率，SP载色体的驰豫率等一系列驰豫时间参数影响到双稳态的弛豫效应，设计中，分别用数值模拟和实验相

13、结合的方法测量这些参数，并对这些驰豫时间参数进行优化，如在重点考虑驰豫时间参数时，结构中用金来代替银。 反馈机制的优化 基于当前的纳米等离子光学技术，特别是无损90度转向波导技术，为SPASER双稳态放大器增加反馈通道在技术上提供了条件，结构中将构成一个基本的SP波反馈放大系统，在这方面开展如下研究： i) 利用纳米等离子光学计算反馈部分的传输矩阵。给出不同反馈结构下的反馈信号传输模型，包括反馈信号的强度，信号相位和光相位的传输特性； ii)采用金属-介质波导直接将输出反馈到输入端，得到信号波的相干反馈，在相干反馈作用的基础上进一步研究、建立SP波反馈放大系统的一般性理论； iii)考虑双稳态放大器的非线性特征，引入反馈系统将会对信号的波形产生影响，设计中通过反馈调节，优化系统的传输特性； iv)通过反馈理论讨论放大系统的稳定性条件，反馈信号的相位和SP波相位关系是重要的影响因素，必须恰当调整和抑制。此外，附加的反馈会影响到腔的特性，在设计中采用了寄生振荡的抑制方法。 开关构件的优化 开关构件的基本功能是利用外部泵浦的有无来有效地控制双稳态的转换从而实现光学上的开关作用，并进一步组成逻辑门。当SPASER双稳态放大器得到有效泵浦时，具备一定强度的信号会顺利通过并得到放大。当泵浦消失，放大区介质会表现为对信号波的吸收，加上传输部分的衰减，信号会削弱。通过