色散光子器件中非局域效应对群速度的调控研究

Controlling the group velocity of the light pulse in the dispersive devices is an important part of all-optical communication technology, and has important applications in information science, radar systems and radio-frequency photonics. However, the current researches are mainly concentrated on the local dispersion devices. The influence of non-local effects on the group velocity still needs to be further explored. Two problems will be solved in the project. 1. Based on the electromagnetic theory, a model of the coupling between the light and the dispersive device is established by combining the light-atom interaction mechanism; to explore the evolution of the electromagnetic field with the non-local effect and the optical properties of the light pulse. 2. To understand the different mechanisms and methods for the control of the group velocity under the spatial dispersion in the isotropic and anisotropic dispersive systems. Through this research, the new mechanisms and methods for the manipulation of optical light pulse can be obtained. In all, this project helps to enrich and develop the electromagnetic theory, and provides a theoretical basis for solving some practical problems; it has an important significance and broad application prospect.

色散光子器件中的光脉冲群速度调控是全光通信技术的重要组成部分，在信息科学、雷达系统和射频光子学等领域有重要应用。然而，目前对脉冲群速度的调控方法主要集中在局域性色散器件里，非局域效应在群速度调控方面的影响仍需进一步探索。本项目重点解决两个科学问题：1. 基于电磁场传播理论，结合光与原子相互作用机理，建立平面光场与空间色散光子器件结构耦合模型；确定非局域效应作用下的电磁场演化规律和响应光场的光学特性；2. 明确空间色散在各项同性和异性色散系统中对脉冲群速度调控的不同机理和方法。通过本项目的研究，可以为光脉冲群速度调控找到新的机制和方法。因此，该项目有助于丰富和发展电磁场传播理论，为解决若干实际应用问题提供理论基础，该工作有着重要的理论意义和应用前景。

纳米光子学主要研究光在纳米尺度的行为及光与亚微米尺度物体的相互作用。作为一个多学科的科学技术领域，纳米光子学在电气工程、固态物理、物理化学、生物物理学和生物化学等领域都引起了广泛关注。以金属和电介质纳米结构为基础的光学和光学工程部分是这门学科的一个非常重要的分支。Drude模型被常用于处理这一领域的相关问题，该模型在电动力学的范畴内在空间和时间域都表现为线性和局域性。然而，当光学结构的尺寸与电荷载流子的费米波长相当或更小的时候，结构中非局域效应的影响会增加。这时候Drude模型不再适用，需要被更为复杂的模型替代，如流体电动力学模型。为了探究非局域效应在纳米光子器件中的作用，本项目包含的工作列举如下：1.研究了金属和一般介质组成的单层界面上非局域效应对色散关系的作用。通过研究发现，当平行于界面的传播矢量分量越大的时候，色散曲线中非局域效应的表现越明显。2.研究了非局域效应对Otto结构表面等离子体激发附近的光学响应的影响。通过研究发现临界角度和厚度的存在，并且在非局域效应的作用下，临界值将会变小。在临界值之前，反射光脉冲的吸收将会增大；在临界值之后，吸收将会减小。在考虑和未考虑非局域效应产生的两种临界值之间，反射光脉冲的群延迟将会呈现完全不同的性质。3.探究了Kretschmann-Raether结构中金属非局域效应对反射幅值曲线极小值附近光学响应的影响。在流体电动力学框架下推导出结构反射系数的解析式，同时在基于复数域零点和奇异点模型中讨论相位和横向位移的特性。结论揭示了非局域效应在传播矢量平行分量较大的时候发挥作用，并引起临界厚度数值的改变。这个改变导致在反射系数幅值极小值附近相位和横向位移在三个不同区间呈现不同的变化行为。此项目的结果对于纳米量级光与物质相互作用的理解和纳米器件的设计有着重要意义。