颗粒复合材料中的高阶非线性响应和光学双稳-理论物理专业论文.docxVIP

墅垫堑全塑型生塑堂堂j!垡竺堕生塑堂兰翌整——————————j!里摘要 墅垫堑全塑型生塑堂堂j!垡竺堕生塑堂兰翌整——————————j!里 摘要 本文着重研究了宏观非均匀颗粒复合体系的高阶非线性响应和光学双稳现象。 颗粒复合材料是由半导体或金属微粒散布于胶状基质中构成的复合体系。研究发 现，在这类非线性颗粒复合体系中，由于表面plasmon谐振效应，即使组分具有较弱 的非线性，整个体系却呈现很强的非线性响应，而且，在谐振点附近，相对低的外加 电场下也可以观察到光学双稳现象。由于这种非线性复合材料不需要外加的谐振装 置，就可实现表面等离子共振，它的响应时间仅和材料本身的响应时间和输运时间有 关，从而具有很快的响应速度，因此这类复合材料在全光学逻辑处理器件等方面有着 广阔的运用前景。 非线性材料的介电常数依赖于外加电场，以前处理线性体系的理论一般不再适 用，逐渐形成和发展了T一矩阵法、微扰法、谱表示法和Taylor展开法等来处理一些 特定条件下复合材料体系的有效非线性问题。通常组分具有任意阶非线性的西．豆关 系，即鱼=8；豆+石吲9巨，其中石为组分f的(fl+1)阶非线性系数。对于卢=2的三 次非线性复合体系的研究已取得了一定的成果。而对于任意阶非线性复合体系，在稀 释极限下，基于Maxwell—Garnett近似，Hui等获得了(p十1)阶的ZS41(2fl+1)的仇非 线性响应，以及利用基于Clausius—Mossotti近似下的微扰展开获得了(fl+1)阶的以。 同时，在无规电阻网络中开展了对以和仉的数值模拟，但是理论预测和数值模拟的 比较不尽人意。 本文利用谱表示和微扰展开法，从理论上给出了适合于一般微观结构复合体(非 均匀局域场)的有效非线性响应z。的解析式，首次给出了有效高次非线性响应仇的 一般表示式。将这一理论退化运用到稀释极限和Maxwel l-Garnett模型，和以往文献 给出的结果一致。并且，我们的结果和MGA模型相比较，与数值模拟符合较好。同时， 我们还讨论了z。和仉随非线性组分体积分数P的变化关系(适用于整个体积分数范 颗粒复合材料中的光学非线性响应和光学双稳 颗粒复合材料中的光学非线性响应和光学双稳 摘要 围)；分析了颗粒的形状因子(退极化因子)对z。和仇的影响，并研究了具有高体积 分数的非线性组分的介电常数为复数时(即具有介电损耗的复合材料)体系的有效高 次非线性响应，从理论上说明了即使组分的非线性较弱，却导致了复合体系较强的有 效非线性响应(z。)高次非线性响应(仉)，指出了在一定的条件下，有效高次非线 性响应(玑)对整个复合体系有效介电常数具有不可忽略的影响。 当外场进一步增强时，在这类非线性复合体系中，表面plasmon谐振点附近，可 能获得光学双稳。在理论上，常通过求解颗粒复合体系的局域场和外场之间的关系来 研究双稳现象。 在谱表示和自洽平均场近似的基础上，我们发展了一般的理论方法，对具有任 意取向的椭球颗粒无规分布在介电基质中形成的颗粒复合体系作了一定的研究。给出 了局域场和外场关系的一般表示式，从而对这一模型体系的双稳现象进行了探讨。首 次预测到了光学三稳态，并给出了双稳，二重双稳和三稳态的相图。这一方法应用于 稀释极限，同以往文献给出的精确解相一致；并且和以前变分法相比较，我们得到了 较大的双稳阈值。 我们还结合有效媒质近似(Effective Medium Approximation)，研究了沿外场 平行排列的金属颗粒散布于基质中形成的两组分非线性复合体系的光学双稳。研究发 现，双稳特性依赖于颗粒的退极化因子和体积分数。在给定的体积分数下，仅当退极 化因子大于它的临界值丘时，才能观察到光学双稳。我们还从理论上推导出双稳的 上下域值和双稳带宽。 另外，在制备颗粒复合材料的实际过程中，考虑到颗粒表面的粗糙性和颗粒表面 空气泡的影响，本文还对带壳颗粒体系作了相应的讨论。对于这样的三组分颗粒复合 体系，无法利用谱表示来求解体系中局域场，我们采用自洽平均场近似，讨论了在非 稀释极限下具有非线性的壳和核的带壳球形颗粒浸在基质中而成的复合体系的光学 双稳。研究发现，只有当颗粒的结构参数(A)小于一悔界值(丑)时才可能观察到 双稳现象。并且例证了三组分带壳颗粒体系的双稳阈值强度要远小于两组分颗粒体系 的阙值。 JI 颗粒复合材料中的光学非线性响应和光学双稳 颗粒复合材料中的光学非线性响应和光学双稳 摘要 在研究光学双稳的同时，我们提出的理论和方法可以很方便地给出复合体系的有 效介电常数对外场的依赖关系，并作了相应的讨论。 关键词：颗粒复合体系、非线性光学响应、谱表示理论、自洽平均场近似、光学双稳。 作者：顾利萍 导师：高雷 111 墅塑堡盒塑塑主塑堂堂韭垡垡堕些塑堂堂型矍 墅塑堡盒塑塑主塑