CN106094388B - 一种实现光学双稳态的磁光非线性核壳结构及其调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现光学双稳态的磁光非线性核壳结构及其调控方法，包括球形核心和包裹在所述球形核心外的壳层，所述球形核心为非线性金属纳米颗粒，所述壳层为磁光材料，所述核壳结构满足准静态近似条件10‑4≤kR≤10‑3，所述核壳结构的核壳比＜＜1，其中，r为所述核壳结构的内半径，R为所述核壳结构的外半径，k为照射在所述核壳结构上的电磁波的波矢，为临界核壳比。本发明相对于现有技术，可以在不改变结构参数的情况下，较为方便地通过调节外加磁场的强度来改变材料的电磁特性，从而实现对光学双稳态的调节，以得到更宽的双稳区间和较低的阈值；同时本发明还可以区分入射光的不同的偏振态。
Description
技术领域
本发明涉及一种实现光学双稳态的磁光非线性核壳结构及其调控方法，属于光操控技术领域。
背景技术
近三十年来，光学双稳现象作为光调控的一种有效渠道，吸引了广泛关注，它在非线性光学领域有着广阔的应用前景。比如全光开关，低功率激光器和低阈值的光学双稳态。对于单个入射光，光学双稳的出现可以使该系统表现出两个不同的稳定传播态。为了获得光学双稳行为,系统通常由介电基质和金属(或半导体)颗粒填充物组成，其介电常数包含负的实部和较小的虚部。此外,组分必须具有非线性响应。
现有的理论中研究光学双稳的体系很多采用了核壳结构这样的几何构型，只要核层或者壳层材料中有一个具有非线性响应，那么系统就会出现光学双稳态。而目前对于光学双稳的调控主要是通过调节模型尺寸，材料的电磁特性(介电常数、磁导率)以及改变周围的环境介质来实现的。但是在实际操作过程中，对于一个制作完成的模型，想要调节它的材料参数和尺寸显然比较困难，这样的实际操作局限大大降低了双稳器件的可调性。
有鉴于此，开发一种新的结构，在不改变其结构的基础上并能实现双稳态的调节，显然是有必要的。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种实现光学双稳态的磁光非线性核壳结构及其调控方法。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种实现光学双稳态的磁光非线性核壳结构，包括球形核心和包裹在所述球形核心外的壳层，
所述球形核心为非线性金属纳米颗粒，所述壳层为磁光材料，
所述核壳结构满足准静态近似条件10-4≤kR≤10-3，所述核壳结构的核壳比ηc＜η＝(r/R)3＜1，其中，r为所述核壳结构的内半径，R为所述核壳结构的外半径，k为照射在所述核壳结构上的电磁波的波矢，ηc为能够得到双稳态的临界核壳比。
优选地，所述核壳结构的外半径8nm＜R＜20nm,所述核壳结构的核壳比0.3＜η＜0.6。
进一步技术方案中，所述核壳结构的外半径R＝10nm，所述核壳结构的核壳比η＝0.5。
优选地，所述磁光材料为掺铋钇铁石榴石，所述非线性金属纳米颗粒为Ag。
本发明还提供了一种实现光学双稳态的磁光非线性核壳结构的调控方法，步骤如下：
(1)将如权利要求1所述的磁光非线性核壳结构置于环境介质中；
(2)用圆极化电磁波照射在所述磁光非线性核壳结构上，得到光学双稳态；
(3)通过调节外加均匀磁场B的强度，实现对壳层磁光材料的磁光活性g的调节，从而进一步实现对系统光学双稳的调节，最终获得所需要的光学双稳态。
优选地，所述步骤(3)中，当入射电磁波为LCP时，随着g的增大，上、下阈值均下降，同时双稳区间变窄；当入射电磁波为RCP时，随着g的增大，上、下阈值均增大，同时双稳区间变宽。
进一步技术方案中，LCP入射对应的双稳曲线的上、下阈值均低于RCP入射对应的双稳曲线的上、下阈值。
优选地，所述步骤(3)中，为实现外加磁场强度对双稳现象的操控，包含磁光活性g的自洽场方程为：
磁光材料的相对介电常数为其中非对角元g代表材料的磁光活性，取电磁波的时间依赖函数为e-iωt，其中ω，t为入射光的频率和时间，
在准静态近似下，当入射电场Ei时，核内、壳层以及外部电场分布形式如下：
其中，ρ为观测点距离系统中心的距离，根据边界条件进行矩阵运算可得到各张量系数，如
其中,
P±＝g2(r3-R3)-2r3(ε-1)(ε-εc)±g(r3-R3)(ε+εc-2)+R3(ε+2)(2ε+εc) (2)
非线性核内的场与入射场的关系可表示为：
从而
对于圆极化入射波Ei＝E0eikz(1 ±i 0)T，可分别得到自洽场方程如下：
另外，对于LCP/RCP入射波，系统具有不同的极化率，分别为α+和α-：
上文中，掺铋钇铁石榴石为Bi:YIG。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明相对于现有技术，可以在不改变结构参数的情况下，通过对外加磁场强度的调节从而改变壳层磁光材料的电磁特性，并实现对系统光学双稳态的调节，从而得到更宽的双稳区间和较低的阈值；同时，由于磁光材料对左/右旋圆偏振光不同的折射率，系统展现出的双稳特性也不同，因此本发明还可以区分入射光的不同的圆偏振态。本发明提供的磁光非线性球壳结构光学双稳的操控方法，可用于设计双稳器件以及光隔离器，将有助于非线性光学及磁光材料的实际应用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2为实施例一中不同的磁光活性g下左/右旋圆极化波入射的双稳曲线图。
图3为实施例一中左/右旋圆极化波入射时光学双稳的上、下阈值与磁光活性g的函数关系图。
图4为实施例一中左/右旋圆极化波入射出现光学双稳的临界核壳比与磁光活性g的函数关系图。
其中：1、核心；2、壳层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1所示，一种实现光学双稳态的磁光非线性核壳结构，包括球形核心1和包裹在所述球形核心外的壳层2，
球形核心1为非线性金属纳米颗粒，壳层2为磁光材料，
核壳结构满足准近似条件10-4≤kR≤10-3，所述核壳结构的核壳比ηc＜η＝(r/R)3＜1，其中，r为所述核壳结构的内半径，R为所述核壳结构的外半径，k为照射在所述核壳结构上的电磁波的波矢，ηc为能够得到双稳态的临界核壳比。
本实施例还提供了一种实现光学双稳态的磁光非线性核壳结构的调控方法，步骤如下：
(1)将如权利要求1所述的磁光非线性核壳结构置于环境介质中；
(2)用圆极化电磁波照射在所述磁光非线性核壳结构上，得到光学双稳态；
(3)通过调节外加均匀磁场B的强度，实现对壳层磁光材料的磁光活性g的调节，从而进一步实现对系统光学双稳的调节，最终获得所需要的光学双稳态。
本实施例中，步骤(3)中对于不同的磁光材料，g的取值与外加磁场B大小的对应关系可由实验测得。
本实施例中，所述步骤(3)中，当入射电磁波为LCP时，随着g的增大，上、下阈值均下降，同时双稳区间变窄；当入射电磁波为RCP时，随着g的增大，上、下阈值均增大，同时双稳区间变宽。
本实施例中，LCP入射对应的双稳曲线的上、下阈值均低于RCP入射对应的双稳曲线的上、下阈值。
本实施例中，所述步骤(3)中，为实现外加磁场强度对双稳现象的操控，包含磁光活性g的自洽场方程为：
磁光材料相对介电常数为其中非对角元g代表材料的磁光活性，取电磁波的时间依赖函数为e-iωt，其中ω,t为入射光的频率和时间，
在准静态近似下，当入射电场Ei时，核内、壳层以及外部电场分布形式如下：
其中，ρ为观测点距离系统中心的距离，根据边界条件进行矩阵运算可得到各张量系数，如
其中,
P±＝g2(r3-R3)-2r3(ε-1)(ε-εc)±g(r3-R3)(ε+εc-2)+R3(ε+2)(2ε+εc)(2)
非线性核内的场与入射场的关系可表示为：
从而
对于圆极化入射波Ei＝E0eikz(1±i 0)T，可分别得到自洽场方程如下：
另外，对于LCP/RCP入射波，系统具有不同的极化率，分别为α+和α_：
本实施例中，核壳结构的外半径R＝10nm，核壳结构的核壳比η＝0.5，将其放入相对介电常数为ε1，相对磁导率为μ1的周围介质中(本发明环境介质设为真空：ε1＝μ1＝1)，材料的相对磁导率均为1，并分别用波长为λ＝430nm(所选参数下的共振波长，能激发较强的核内场)的LCP/RCP电磁波入射，借助mathematica软件进行数值计算，得到参数g取不同数值(0,0.5,1)情况下的双稳曲线。
本实施例中，圆极化波为左旋圆极化波(LCP)和右旋圆极化波(RCP)。
本实施例中，所述磁光材料为掺铋钇铁石榴石，所述非线性金属纳米颗粒为Ag，本发明选用的壳层磁光材料为掺铋钆铁石榴石(Bi:YIG)，ε＝5.5+0.0025i。核层Kerr非线性材料为金属Ag，介电常数为εc＝ε∞-ωp 2/(ω2+iνω)+χ|Ec|2，其中ε∞＝4.96， 非线性系数χ＝3×10-9esu。
参见图2所示，不同的磁光活性g下圆极化波入射的双稳曲线，当g＝0(无外加磁场)时，壳层材料的磁光效应消失，各向异性消失，此时入射光的偏振方向不影响系统的双稳特性，LCP和RCP双稳曲线重合。由图可知，当g≠0时，随着g的增大(外磁场增强)，磁光效应增强，LCP和RCP差别越来越大。
参见图3所示，为本实施例中圆极化波入射时，光学双稳的上、下阈值与磁光效应强度的函数关系图。由图可以看出，入射光为LCP时，随着g的增大，上、下阈值均下降，同时双稳区间呈现变窄的趋势，而当入射光为RCP时，上、下阈值随着g的增大均增大，同时双稳区间变宽。值得指出的是，相比于下阈值的变化，g数值的改变对上阈值的影响更为显著，体现在图中上阈值曲线的斜率更大。此外，无论g取何值，LCP入射情况的上、下阈值均始终低于RCP入射对应的双稳阈值。
参见图4所示，为本实施例中左/右旋圆极化波分别入射时，出现光学双稳的临界核壳比ηc(低于该值时系统双稳现象消失,如图4(a)所示)与磁光效应强度的函数关系图。由图4(b)可以看出，左旋圆极化波入射情况下，产生双稳的临界核壳比随着磁光效应(外加磁场强度)的增强呈现增大的趋势，而对于右旋圆极化波，该数值则呈现快速的减小。由此可见，改变入射波的极化方向以及外加磁场的强度，对于产生双稳现象的尺寸要求有显著影响。
Claims (7)
1.一种实现光学双稳态的磁光非线性核壳结构，其特征在于：包括球形核心和包裹在所述球形核心外的壳层，
所述球形核心为非线性金属纳米颗粒，所述壳层为磁光材料，
所述核壳结构满足准静态近似条件10-4≤kR≤10-3，所述核壳结构的核壳比＜＜1，其中，r为所述核壳结构的内半径，R为所述核壳结构的外半径，k为照射在所述核壳结构上的电磁波的波矢，为临界核壳比。
2.根据权利要求1所述的实现光学双稳态的磁光非线性核壳结构，其特征在于：所述核壳结构的外半径8nm＜R＜20nm, 所述核壳结构的核壳比0.3＜η＜0.6。
3.根据权利要求2所述的实现光学双稳态的磁光非线性核壳结构，其特征在于：所述核壳结构的外半径R=10nm，所述核壳结构的核壳比η=0.5。
4.根据权利要求1所述的实现光学双稳态的磁光非线性核壳结构，其特征在于：所述磁光材料为掺铋钇铁石榴石，所述非线性金属纳米颗粒为银。
5.一种实现光学双稳态的磁光非线性核壳结构的调控方法，其特征在于：步骤如下：
（1）将如权利要求1所述的磁光非线性核壳结构置于环境介质中；
（2）用圆极化电磁波照射在所述磁光非线性核壳结构上，得到光学双稳态；
（3）通过调节外加均匀磁场B的强度，实现对壳层磁光材料的磁光活性g的调节，从而进一步实现对系统光学双稳的调节，最终获得所需要的光学双稳态。
6.根据权利要求5所述的实现光学双稳态的磁光非线性核壳结构的调控方法，其特征在于：所述步骤（3）中，当入射电磁波为左旋圆极化时，随着磁光活性g的增大，上、下阈值均下降，同时双稳区间变窄；当入射电磁波为右旋圆极化时，随着磁光活性g的增大，上、下阈值均增大，同时双稳区间变宽。
7.根据权利要求6所述的实现光学双稳态的磁光非线性核壳结构的调控方法，其特征在于：左旋圆极化波 LCP入射对应的双稳曲线的上、下阈值均低于右旋圆极化波RCP入射对应的双稳曲线的上、下阈值。
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