穿孔金属/反铁磁多层膜的远红外(THz)光学性质

The study on surface plasmon polaritons propagating in a subwavelength hole array perforated on a metallic film, which is arisen from the extraordinary optical transmission through a perforated metallic(PM) film, is a hot and interdisciplinary research field involved in physics and information technology. The research object of this project is PM/antiferromagnetic(AF) multilayer. The main goal is to study the influence of PM film on the linear transmission and the enhanced nonlinear optical effect of terahertz wave in the AF systems, and to provide the theoretical basis for designing terahertz devices. The research includes the extraordinary optical transmission and one-way properties of PM/AF bilayer, second harmonic generation(SHG) of PM/AF/PM resonant cavity as well as photonic band gap, SHG and frequency converter of PM/AF photon crystal. We will pay much attention on the change of the optical properties of magneto-polaron by the PM surface electromagnetic waves, and we will especially use the changes of the directions of applied dc field and sublattice magnetization as well as the shape and array of subwavelength holes to influence and modulate the linear and nonlinear optical effects of the PM/AF multilayer.

由穿孔金属膜异常光透射现象所引发的对金属亚波长孔阵列结构中表面等离极化激元的研究是当前涉及物理和信息技术的一个跨学科的热点研究领域。本项目研究的体系为穿孔金属/反铁磁多层膜，主要目标在于研究穿孔金属膜对太赫兹波在反铁磁体系内线性传输性质的影响及对非线性光学效应的增强，并为设计太赫兹器件提供理论基础。本项目研究内容包括：穿孔金属/反铁磁双层结构的异常光透射和单向性；穿孔金属/反铁磁/穿孔金属谐振腔二次谐波生成；穿孔金属/反铁磁光子晶体的光子带结构，二次谐波生成和频率转换效应。我们将重点关注穿孔金属表面电磁波对磁极化子光学性质的修正；特别通过改变外加磁场方向、反铁磁体子格磁化方向、穿孔金属膜上亚波长孔的形状以及孔的阵列排布规律，来影响和调控穿孔金属/反铁磁多层膜的线性和非线性光学性质。

工作在THz波区间反铁磁体的磁化率是共振型的，因而在共振频率附近的区域上，强的电磁场（或光场）应该产生可以观测的线性和非线性效应。由穿孔金属膜异常光透射现象所引发的对金属亚波长孔阵列结构中表面等离极化激元的研究是当前涉及物理和信息技术的一个跨学科的热点研究领域。我们对反铁磁体进行了非线性和频和差频磁化率的微扰理论推导，以穿孔金属和反铁磁为例研究了其中的光传播基本性质和特点，讨论了试验上观测的可能性。主要新的结果是：（1）在穿孔金属/反铁磁体系中，发现电磁波传播的强非倒易性，确定了强非线性出现的结构和位型。（2）在反铁磁/穿孔金属双层中，发现二次谐波生成和磁光克尔效应，通过改变外磁场大小，电介质层厚度和金属中孔的尺寸可以增强这些效应。(3)在反铁磁层和反铁磁/金属（Ag）三明治结构中发现了和频生成，并设计合适的结构增强和频生成的效率。（4）利用有效介质理论研究了由铋铁石榴石（BIG）和银构成的二维光子晶体的科尔效应。铋铁石榴石为基底，内部嵌入银柱。在银柱表面等离激元会影响BIG的磁光性质。研究发现，由于银柱的加入会增大科尔效应。银柱占的比例同样会影响克尔效应。我们将重点研究了通过改变外加磁场方向、反铁磁体子格磁化方向、穿孔金属膜上亚波长孔的形状以及孔的阵列排布规律，来影响和调控穿孔金属/反铁磁多层膜的线性和非线性光学性质。