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近年来,特异材料已经发展成为一个横跨光学、光子学、电磁学以及微纳加工等学科的热门领域。从早期提出使用负折射材料实现“超透镜”成像,到最近运用转换光学思想实现隐身现象,人们使用特异材料不断得到新的现象,新的应用。它已经吸引了世界上许多科学家和研究组的广泛关注。
然而以前的这些研究都是基于体系中单元之间没有耦合的假设之上的。整个体系的有效性质就是一个体积平均的结果。这只在单元间隔非常大的情况下是合理的。事实上,耦合效应是普遍存在的,特别是当间隔尺寸逐渐缩小时,单元之间就会有很强的耦合作用,以上的假设就行不通了。存在耦合效应的特异材料就会展现出很多新现象。本文研究的就是在一维耦合特异材料中的磁等离激元的性质。论文可以分成以下几个部分:
1、我们研究了一维周期性金属纳米三明治链中的磁等离激元模式。使用数值模拟+傅立叶变换的方法,直接观察了体系中激发的磁耦合模式(磁等离激元模式)。原先单个三明治的磁共振模式由于耦合效应展宽成了一个带。我们使用不同的激励源在链中激发出了不同的磁等离激元模式,并对这些模式作了详细的分析和比较。通过调节链的周期和单元的尺寸,可以实现对这个磁等离激元带的调控。另外,我们又设计了一种双周期结构,可以进一步调控磁等离激元带的带宽和中心位置。同时,由于色散曲线的折叠效应,从平面波模式向波导模式耦合的能力也被增强了。
2、我们设计了一种梯度的一维耦合特异材料——一维梯度金属纳米三明治链,并详细研究了链中支持的梯度磁等离激元模式(磁梯度子)以及常见的传导模式和衰减模式。我们比较了梯度子与衰减模式的区别,发现梯度子有很好的场局域效果,可以在不同的频率下,将场局域在链上的不同位置。而且梯度子在场分布的尾部可以进一步的将局域场放大,这对在链上传导能量是很有好处的。根据梯度链中支持的传导模式和梯度子的特殊局域性质,我们使用梯度磁等离激元链设计了两种T型双端口的频率选择开关和一种TT型三端口的频率选择开关。计算结果表明这些选频开关可以很好的实现对不同频率场的选择性传导。
3、为了解决耦合特异介质中的损耗问题,我们引进了特异介质+增益材料的体系,希望通过增益材料的增益效果补偿体系的损耗。我们具体设计并研究了金属纳米三明治链与铒镱共掺的激光晶体的体系。通过对结构的特殊设计,可以利用链的磁等离激元模式和电四极共振模式分别同时实现信号光和抽运光的共振,这样可以大大增加体系的效率。通过解链的波导方程和增益材料的数率方程的联立方程组,我们研究了这个体系增益效果。在不同的链的Purcell因子和铒离子的掺杂浓度下,链上信号光的传播长度得到了不同程度的增强,这证明了使用特异材料+增益介质来补偿体系损耗的方案的可行性。而且当铒离子的掺杂浓度和链上信号光的模式寿命满足一定条件时,体系呈现出一种受激放大的效果。在链上传导的信号光在波导上传播的同时会被逐步放大。这种现象类似于光纤放大器的效果。
4、为了进一步研究耦合特异材料与量子体系的相互作用的问题,我们发展了一种量子化的处理方法来研究耦合特异材料。通过借鉴固体物理和量子光学的处理方法,将耦合特异材料的哈密尔顿量在粒子数表象中表示出来。我们将这种在特异材料中产生的新的人工准粒子称为Meton。这是只有在耦合效应参与的情况下才会出现的。作为这种量子化方法的一个应用,我们研究了Meton与二能级原子相互作用的体系的性质。针对二能级原子的跃迁频率,我们设计了一种最简单的特异材料体系(一维金属纳米三明治链),使Meton(磁等离激元的量子)与二能级原子的跃迁频率耦合。我们计算得到了体系的自发辐射和受激辐射的系数,并预言了在这种Meton与二能级原子相互作用的体系中,可能存在Meton的受激放大的现象。