等离子体Airy光束的调控及其动力学行为研究

Very recently, surface plasmon polaritons (SPPs) have attracted much attention due to its unique characteristics and promising potential applications. The proposal which investigates both SPPs and Airy beams is concentrated on the following three parts: (1) Using Finite-Difference Time-Domain method and Finite element method, etc., we study the formation and the propagation of plasmonic Airy beams; (2) We derive the spatiotemporal equations of plasmonic Airy beams in the presence of the linear potential. The propagation of the Airy beams is modulated by the linear potential; (3) We also study the dynamical behavior of the plasmonic Airy beams by introducing the nonlinear potential. The aims by performing the proposal are listed in the following: (1) We will be able to modulate the properties of the plasmonic Airy beams, such as the self-bending and self-healing, etc.; (2) We plan to achieve some exotic optical phenomena, such as light bullets, and we will uncover their physical mechanisms; (3) We will understand the mechanism of how does the nonlinear potential influence the plasmonic Airy beams. This proposal is helpful to understand the mechanism of exotic optical phenomena, it has profound physical meanings. We believe this proposal plays an important role both in the basic researches and applications.

近年来，由于其独特的物理性质和诱人的应用前景，表面等离子体成为国际前沿研究课题。本项目围绕表面等离子体与Airy光束交叉方向开展以下几个方面的研究工作：(1) 采用有限时域差分方法和有限元法等，系统研究表面等离子体Airy光束的形成与传播特性；(2) 当线性势存在时，推导表面等离子体Airy光束的时空演化方程，通过线性势来调控等离子体Airy光束；(3) 通过引入非线性介质来研究Airy光束的动力学行为。通过本项目的研究力争实现以下目标：(1) 实现对表面等离子体Airy光束自弯曲、自修复等的调控； (2) 实现表面等离子体Airy光束的一些奇异光学现象，如产生光子弹等，并找出其物理本质； (3) 弄清非线性势影响表面等离子体Airy光束的物理机制。本项目的研究内容能够揭示一些奇异光学现象的物理本质，具有深刻的内涵，开展本项目的研究不仅对于基础研究，而且对于实际应用都具有重要的科学价值。

由于能够克服光的衍射极限，可以在亚波长尺度实现对光的操控，近年来表面等离激元成为纳米光子学领域中新的能量和信息的传递载体。特别是随着微纳米加工技术的迅速发展，表面等离激元迅速成为世界研究的一个前沿课题，它已经被应用于包括生物化学传感，光电子集成器件等多个领域。本项目围绕表面等离激元的传播特性、强局域化等特点，开展了以下几个方面的研究工作：(1) 采用有限时域差分方法，研究了表面等离激元在具有凹口的环形共振器结构中的传播特性，发现由于凹口的存在，共振环的本征透射模式会发生分裂。此外，采用传输矩阵方法研究了表面等离激元在石墨烯覆盖的一维周期性结构中的传播特性，在这种结构中实现了等离激元带隙和缺陷模。(2) 研究了表面等离激元的强局域性在增强量子摩擦方面的作用，发现石墨烯等离激元可以和表面声子极化子耦合，对于增强量子摩擦有明显的作用。(3) 研究了光在光子晶体、特异材料中传播的动力学行为，构建了由特异材料组成的光子晶体多微腔结构，从理论上实现上微秒量级的Bloch振荡。(4) 研究了石墨烯在增强光吸收中的作用。从理论上研究了基于石墨烯材料的异质结在THz频段的吸收问题，由于异质结缺陷层内光子的强局域化，这种结构能够实现对光的完全吸收。. 在本项目的资助下，我们圆满完成了项目申请书中的任务，并拓展到了一些相关的研究领域，也取得了一些重要的成果。自2012年本项目立项以来，我们在相关领域的物理学、光学杂志上共发表SCI学术论文19篇。