【摘 要】
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由于传统的激光器受到衍射极限的影响,三维方向上的尺寸必须要大于半个光学波长,因此很难进一步将其尺寸缩小到纳米尺度。为了实现亚波长尺度光的控制,目前的一个方法是引入
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由于传统的激光器受到衍射极限的影响,三维方向上的尺寸必须要大于半个光学波长,因此很难进一步将其尺寸缩小到纳米尺度。为了实现亚波长尺度光的控制,目前的一个方法是引入表面等离子体激元结构,这种方法在消除衍射极限的影响方面起到了很重要的作用。目前在应用表面等离子体激元结构的技术方面,面临的最主要的挑战是如何在降低来自于金属方面的传播损耗的同时实现能量高局域化传播。在本文中,首先简要介绍近些年来关于纳米激光器和表面等离子体方面相关研究的进展情况,其次分析表面等离子体的基本理论以及计算电磁学中的数值方法,重点分析时域有限差分法和有限元法。接下来本文提出了5种表面等离子体波导模型,包括拥有对称银膜的边界耦合的杂化表面等离子体波导、对称银膜边角处圆化后的边界耦合的杂化表面等离子体波导、以MgF2为夹层的杂化表面等离子体波导、纳米线被银膜包围后的杂化表面等离子体波导、包围纳米线的银膜边角处圆化后的杂化表面等离子体波导模型。通过Comsol Multiphysics软件来建立5种模型,并使用有限元法对不用几何尺寸下的模型进行仿真计算,对比分析几何参数对波导模式特性和激光阈值的影响,几何参数包括作为增益介质的纳米线的半径,纳米线和金属层间隔的宽度,金属薄膜边角处圆化后的半径等等,其中有效折射率、有效传播损耗、归一化的模式面积和限制因子用于反映模式特性。通过对计算结果的分析发现,光场的能量主要集中在夹层中,通过减小夹层的厚度,同时对金属薄膜的边角处进行圆化,圆化的半径越大,激光阈值越小,从而实现光的低损耗和能量高局域化传播。这一结论对表面等离子波导在低阈值纳米激光器的进一步研究有重要的意义。
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