基于飞秒激光调控钨电子状态的表面等离激元调制机理及器件研究

The modulator for surface plasmon polaritons (SPPs) based on the electronic state in tungsten has some advantages, for example, ultrafast, micro-scale, simple structure and easy-making. This modulator has the important potential applications in the fields of photonic calculation and optical communication. The project investigates the physical processes and mechanisms in the interaction between femtosecond laser and metal tungsten, reveals the ultrafast SPPs modulation mechanism based on tungsten electron state controlled by femtosecond laser, clarifies the manipulation method to change tungsten transient optical properties by femtosecond laser, proposes an ultrafast, high-stability and low-power SPPs modulation method, and a novel model of micro SPPs modulator is established based on tungsten; Then, the fabrication method for SPPs waveguide is studied based on femtosecond laser-induced silver nano-stripes, and the fabrication method for micro/nano devices is optimized by femtosecond laser direct writing, and the tungsten SPPs modulator is prepared. Finally, the application of ultrafast SPPs modulator is investigated in the micro/nano optical neural network. The project will promote the development and application of the SPPs modulator based on the tungsten eletronic state controlled by femtosecond laser, the micro/nano optical neuron devices and femtosecond laser micro/nano-fabrication technology.

基于飞秒激光调控钨电子状态的表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons, SPPs)调制器具有超快、微型化、结构简单以及容易制作的优点，将会在光子计算和光通讯等领域具有极大的应用前景。本项目首先研究飞秒激光与金属钨相互作用的超快物理过程和机制，揭示基于飞秒激光调控钨电子状态的超快SPPs调制机理，阐明飞秒激光改变钨瞬时光学性质的操控方法，提出超快、高稳定性、低功耗的SPPs调制方法，建立一种新颖微型钨基SPPs调制器模型；然后研究基于飞秒激光诱导银表面微纳条纹的SPPs波导制备方法，优化飞秒激光直写加工金属微纳器件的方法，并制备钨基SPPs调制器；最后研究超快钨基SPPs调制器在微纳光学神经网络计算的应用。项目的开展将促进基于飞秒激光调控钨电子状态的超快SPPs调制器、微纳光学神经元器件和飞秒激光微纳制造技术的发展和应用。

随着互联网速度提升和计算机功能增强，传统电子集成线路的发热和速度严重限制了信息处理速度的提升。与传统电子集成线路相比，光子集成电路具有明显的优势。表面等离激元（surface plasmon polaritons，SPPs）将电磁场能量束缚在很小的空间范围，突破光学衍射极限，可以实现高密度的光子集成电路。本研究以构建和制备基于飞秒激光调控钨电子状态的表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons, SPPs)调制器为目标，本项目首先研究飞秒激光与金属钨相互作用的超快物理过程和机制，通过实验和第一性原理仿真揭示基于飞秒激光调控钨电子状态的超快SPPs调制机理：低能量的飞秒激光泵浦后，随着电子温度升高，钨的部分填充的d带电子显示出扩展和向高能量移动的趋势；由于能带结构中 d 带的费米拓宽，扩展了对可见光的带内跃迁部分，导致激发态钨的复折射率实部减小，虚部增加，最终导致激发态钨向支持表面等离子体传播状态的转变；阐明飞秒激光改变钨瞬时光学性质的操控方法；提出超快、高稳定性、低功耗的SPPs调制方法，建立一种新颖微型钨基SPPs调制器模型，并通过时域有限差分法仿真验证其功能，得到最优的调制器模型参数；然后研究基于飞秒激光诱导银表面微纳条纹的SPPs波导制备方法，采用有限差分时域法分别仿真和解释飞秒激光在金属银和钨表面诱导自组织周期性结构表面的形成机理；优化飞秒激光直写加工金属微纳器件的方法，并制备钨基SPPs调制器，实现钨基SPPs调制器的开关响应速度小于10 ps；最后研究超快钨基SPPs调制器在微纳光学神经网络计算的应用；拓展激光诱导金属表面自组织周期性结构的应用研究。钨基SPPs调制器具有超快、微型化、结构简单以及容易制作的优点，将会在光子计算和光通讯等领域具有极大的应用前景。项目的开展将促进基于飞秒激光调控钨电子状态的超快SPPs调制器、微纳光学神经元器件和飞秒激光微纳制造技术的发展和应用。