亚波长等离子体格子孤子

本课题以放在非线性电介质材料衬底上的金属纳米线波导阵列为研究平台，研究非线性表面等离子体波这个正在兴起的研究方向。当光在金属纳米线阵列中的离散衍射被衬底材料的光学非线性效应抵消的时候，等离子体格子孤子波可以形成。这种孤子波的空间分布不受衍射极限的限制，可达到深度亚波长，即所谓亚波长等离子体格子孤子。我们拟寻找各类新型的亚波长等离子体格子孤子，其中包括将研究亚波长涡流孤子，研究二次非线性效应支持的双色亚波长孤子和波长转换，将时间效应考虑进来研究亚波长时空孤子。我们将探讨这些新型非线性表面等离子体波的形成机制和它们的各种光学特性，包括其存在的条件，激发的机理，空间局域度对几何和材料参数的依赖以及对光频的依赖, 孤子的稳定性、损耗和传输特性。在此研究的基础上，基于非线性提供的光学可调性和纳米线之间的耦合提供的孤子的可移动性，我们还将探讨亚波长格子孤子在纳米全光器件上的应用前景。

本项目结合非线性光学响应和surface plamson polaritons(SPPs), 研究非线性等离子体波导阵列中非线性对SPP波的形成和传输的影响，主要关注当非线性效应平衡波导之间的耦合效应时所形成的等离子体格子孤子(Plasmonic Lattice Solitons-PLSs)。 PLSs的局域尺寸可以突破衍射极限，达到深度亚波长尺度，其存在和传播等特性强烈依赖于输入光的功率，因此它在纳米光束的主动操控方面具有潜在的应用价值。.申请者在该基金的支持下，圆满地完成了预定的各项目标。 发现了若干新颖的等离子体格子孤子态, 包括涡流孤子、双色孤子或矢量孤子、表面孤子、等离子体复合态（即高阶孤子）等， 揭示了它们相比于传统孤子的独特的性质。通过该项目的开展, 我们将空间光孤子的研究较为系统地推进到了等离子体体系和亚波长尺度。研究结果反映了光和等离子体晶体相互作用的多样性和复杂性，对于非线性纳米光子学学科的发展具有重要的理论意义，也对纳米光子器件的制作具有一定的实际指导意义。.主要取得的成果有：（1）通过求解非线性Maxwell方程组，首次报道了离散孤子的严格解，并且揭示了增益补偿损耗的一个重要物理； （2）预测了内部具有复杂拓扑结构的等离子体格子孤子的存在，发现它们也能在合理的非线性响应条件下，以深度亚波长的尺度存在并且稳定的传输； （3）预测了在等离子体晶体结构的边界处存在的一类特殊的表面格子孤子，发现了其在局域尺寸上的独特增强的特性；（4）提出通过对石墨烯施加门电压，在石墨烯平面上“刻写”出周期性光子晶格，发现光栅的调制深度可被电压实时可控，这为在深度亚波长的尺度上实现可调的光和物质相互作用提供了一个可供操作的平台；（5）首次展示了突破衍射极限的深度亚波长尺度上的安德森局域，即SPP波的安德森局域。