二阶和三阶非线性表面等离激元光学效应研究

Nonlinear plasmonics has been an attractive research subject in the field of nanophotonics in recent years. The efficiency of the nonlinear plasmonic effect can be increased based on the field enhancement of local surface plasmon and the phase control in meta-materials. Nonlinear plasmonics has presented some new phenomena and mechanisms, which can be used to implement nanophotonic devices, such as all-optical switches and modulators. In the project, we will increase the efficiency of nonlinear plasmonics by using field enhancement and phase control in local surface plasmon resonance. We will study the phase matching method and coupling efficiency of light and surface plasmon in the nonlinear process of propagation surface plasmons. And second- and third-order harmonic generations, self-phase modulation, and self-focusing will be obtained. Application of nonlinear plasmonics in the field of all-optical switches and laser spectroscopy will be developed. The high lights of the project are the efficiency improvement of the nonlinear plasmonic processes by using field enhancement in structures with multiple resonant modes and phase modulation and their novel applications.

非线性表面等离激元(SPP)光学是目前纳米光子学领域的一个研究热点，它利用金属纳米结构中的SPP共振的场增强效应和超材料对色散的调控获得增强的非线性光学效应，展现出一些新现象和新原理，可望实现传统材料中无法获得的纳米尺度下的全光开关和调制等。本项目研究利用局域SPP共振增强和相位调控提高非线性过程效率；研究传播的SPP的非线性过程中相位匹配方法和提高非线性过程中光与SPP的转换效率，获得传播的SPP的二次谐波、三次谐波、自相位调制和自聚焦等；研究基于非线性SPP光学过程的应用，包括超快全光开关和在激光光谱学中的应用。通过设计SPP多共振模式结构及利用共振相位的控制提高非线性过程效率、研究传播的SPP非线性效应并拓展其应用是本项目的特色和创新点。

非线性表面等离激元光学是目前纳米光子学领域的一个研究热点，它利用金属纳米结构中的表面等离激元共振的场增强效应和超材料对色散的调控获得增强的非线性光学效应，展现出一些新现象和新原理，可望实现传统材料中无法获得的纳米尺度下的频率变换、光开关和调制等。本项目研究利用局域表面等离激元共振增强和相位调控提高非线性过程效率；研究传播的表面等离激元的非线性过程中相位匹配方法和提高非线性过程中光与表面等离激元的转换效率，获得从基频表面等离激元到倍频表面等离激元的二次谐波过程；研究利用表面等离激元激光腔和金属纳米颗粒获得大的场增强，在短距离内实现自聚焦或自相位调制等表面等离激元三阶非线性效应；研究利用金属纳米共振结构调控表面等离激元的相位和强度，用于表面等离激元非线性效应和其它器件。. 我们设计了Kretschmann结构实现了从基频表面等离激元到倍频表面等离激元的二次谐波过程，发现二次谐波中光和表面等离激元的成分共同存在；我们设计了多层结构的表面等离激元波导，通过结构调控表面等离激元波导模式的色散，获得了表面等离激元二次谐波的相位匹配方法。在表面等离激元三阶非线性效应研究方面，我们利用表面等离激元激光腔中大的场增强，在表面等离激元激光腔中观察到了非线性自聚焦效应，利用两种稳定腔和非稳腔的对比进一步证明了自聚焦效应。利用金属纳米颗粒的场增强效应，获得了利用自相位调制产生超连续白光的增强。我们研究了利用光学天线调控表面等离激元相位和强度的方法，实现了纳米传感器、表面等离激元霍尔效应器件、表面等离激元偏振分光器、行波天线等，实现了电驱动表面等离激元互联器和三维表面等离激元与电子学集成。波导中表面等离激元二次谐波的产生在表面等离激元集成器件中有着重要的应用，表面等离激元激光腔中的自聚焦效应的实现使得微腔激光器中自锁模成为可能。本项目的成果对实现表面等离激元集成系统具有重要的意义。