非线性微纳颗粒的光力开题报告

1. 研究目的与意义

光力学是研究光和物质相互作用中的力学效应及其应用。非线性光学效应是光与非线性光学材料相互作用所共有的属性，在现代光学应用中起着重要作用。一般来说，光学非线性本质上是弱的，并且超线性地依赖于电磁场。增强非线性光学效应的一种可能途径是引入金属等离子体纳米结构，在金属/电介质界面局域表面等离子体共振^[1]。众所周知，表面等离子体激元是由于贵金属结构表面附近传导电子的相干振动而产生的，它会导致电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强。相应地，局域电磁场的增强将提高金属/电介质平面或二维(或三维)复合微结构的非线性光学效应^[2]。此外，支持激子-声子等离子体相互作用、混合系统自作用或二能级系统都可以增强非线性，甚至产生光学双稳。因此光学双稳作为非线性的一个显著特征，并提供了一种利用光来操纵光的新方法。自从1975年贝耳实验室的吉布斯等人在实验中发现光学双稳态以来,光学双稳态研究在40年中有很大进展.各种形式的光学双稳态现象不断发现,使人们对光学双稳态的认识不断加深.各种光学双稳态器件的材料和结构不断发展,使光学双稳态作为一种以光控光的器件更接近实际应用^[3].具有这些性质的光学结构可以作为全光开关、光晶体管和光存储器的备选材料。前人还提出了利用金属等离子体复合介质表面等离激元化产生的场增强来降低双稳强度阈值的建议^[4]。然而，由于其本身的欧姆损耗，即使在贵金属中等离子体场增强也受到根源上的限制，这也限制了某些超材料和转换光学器件的功能^[5]。另一方面，石墨烯具有极大的电子迁移率和非线性克尔系数，从而在等离子体领域备受关注。因此，一维石墨烯平面结构中，在没有非线性表面等离子体极化激发的情况下，前人致力于研究克尔非线性效应对光学双稳的影响^[1]。

现已有相关研究线性情况下单层石墨烯包裹介质球的散射特性，忽略表面电导率的场相关项。在 thz 频率下，石墨烯表面电导率的虚部为正，表明具有支持局域表面等离子体的“金属”型性质^[4]。因此，这种石墨烯层充当非常薄的“金属”壳层，导致散射效率谱中出现共振峰。与小尺寸金属纳米颗粒不同，石墨烯包裹的介电纳米颗粒在其线性散射效率谱中具有与颗粒尺寸相关的可调表面等离子体共振频率。当纳米颗粒半径增大时，表面等离子体共振频率红移，并伴随着增强峰^[6]。在此石墨烯模型中，虽然纳米颗粒的半径远小于入射波长，但由于石墨烯层在 thz 频段具有等离激元性质，仍然可以实现与尺寸相关的共振。然而对于金属球体，当入射波长较长时，表面等离子体共振几乎与尺寸无关。 此外，除了纳米颗粒的半径，不同费米能级的石墨烯还可以改变表面电导率，从而实现可调谐的表面等离子体共振。另外在前人研究中也给出了共振峰与费米能级的关系，它清楚地表明费米能级的提高一般会导致表面等离子体共振波长蓝移和增强峰更陡峭，其结果与石墨烯条带中的结果定性一致^[7]。纳米颗粒内部局域场的平均值首先随着外加电场的增大而增大，当外加电场达到开关阈值场时，其不连续地向上分支跳跃。外加电场的进一步增加导致局域场的单调增加^[8]。另一方面，外加电场的不断减小将导致在开关下阈值场处局部场从上支路不连续地跳跃到下支路。这种近场 ob 行为展现了在纳米开关和纳米记忆领域中的潜在应用。纳米颗粒的尺寸越大，通常会导致双稳态开关阈值场降低，同时双稳态区域变窄。也就是说石墨烯薄层内部线性局域场的大小将会随着纳米颗粒半径的增大而增强，导致场阈值减小^[9]。此外，准静态近似的结果与非线性全波理论的结果吻合， 表明准静态近似和全波理论在非线性 ob 的研究在纳米器件尺寸范围变得明确。前人还研究了粒子尺寸和费米能级对大尺寸近场多稳态曲线的影响，发现多稳态区域很大程度上取决于纳米颗粒尺寸，也就有可能以较大尺寸颗粒实现较低的开关阈值。相比之下，当费米能级增加时，可能会获得更宽的 ot 和 ob 区域。为进一步增大颗粒半径，八极模可能向偶极子和四极子区域偏移，实现光学多稳性。因此，这种石墨烯包裹的纳米颗粒可以提供更多的自由度来控制其多态光开关，并在光通信和光学传输计算中有许多潜在的应用^[10]。

本课题探索核壳结构微纳增益颗粒体系在平面电磁波入射下获得更大光拉力的条件，根据微纳颗粒的电磁场分布，从物理角度解释颗粒体系光拉力产生的原因。由于目前国内外对非线性核壳结构微纳颗粒体系光力的研究理论尚不完善，因此，开展非线性核壳结构微纳增益颗粒体系光力的研究很具有挑战性和创新性。此外，本课题不仅为非线性核壳结构微纳增益颗粒的光力呈现光学双稳，调节微纳颗粒的物理参数和几何参数对双稳曲线的电场阈值及双稳范围进行调控，从而应用于光学开关、光学三极管等器件的设计领域。而且通过光对微纳颗粒的合理操控，推动微纳光子学的实际应用，为设计新型材料在光学操控方面指明方向。

2. 研究内容和问题

基本内容：

在电磁波的入射下，根据非线性微纳颗粒的全波电磁散射理论，推导得出非线性微纳颗粒的光力。研究非线性微纳颗粒光力的双稳现象，调节非线性微纳颗粒的几何参数及物理参数调节光学双稳现象。

预计解决的难题：通过麦克斯韦应力张量沿非线性微纳颗粒表面积分来获得微纳增益颗粒所受的时间平均总光力是我们需要解决的关键问题。另外，分析非线性微纳颗粒的光力的双稳现象也是一个关键所在。

3. 设计方案和技术路线

考虑微纳颗粒介电常数的非线性，结合自洽平均场近似方法，推导非线性全波电磁场散射理论，得出非线性微纳颗粒的电磁场分布。

利用局域电磁场对麦克斯韦应力张量进行积分，得出非线性微纳颗粒体系所受光力。

调节非线性微纳颗粒的尺寸大小，以及周围介质来调控光力的双稳现象，应用光学双稳现象进行光学开关设计。

4. 研究的条件和基础

课题申请人已经进行电磁场与电磁波这门课程的学习，熟练掌握麦克斯韦方程组，并能合理运用其进行解析推导。

指导老师可以提供mathematica、origin等科学软件供课题申请人进行数值计算。

课题组已经具备完成毕业课题的基础条件。