[论文解读] Spaser linewidth enhancement

Pavel Ginzburg, Anatoly V. Zayats|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2012

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 27被引用 10

一句话总结

本文通过将谱参数色散引入局域表面等离子体共振的准静态描述中，结合时间依赖动力学，为纳米尺度等离子激光器（spasers）的线宽建立了一个理论框架。研究发现，半导体增益介质中的线宽增强因子为3–6，导致线宽比Schawlow-Townes预测值宽一个以上数量级，这是由于载流子密度的强依赖性所致。

ABSTRACT

The concept of spaser, as the coherent near-field generator, based on nanometric plasmonic resonators, has been successfully demonstrated in number of experiments. Here we have developed the theoretical framework for description of the basic properties of the spaser linewidth and, in particular, linewidth enhancement. In order to achieve this, we have introduced explicitly the time dependence in the quasistatic description of localized surface plasmon resonances via inclusion of the dispersion of a spectral parameter, defining the localized plasmon resonance wavelength. Linewidth enhancement factor was estimated for semiconductor gain medium and was found to be of order of 3-6, strongly depending on carrier density in the active layer, and resulting in more than order of magnitude broader linewidth compared to that, predicted by the Schawlow-Townes theory.

研究动机与目标

• 建立一个理论框架，用于描述基于等离子共振器的纳米尺度相干光源spaser的线宽。
• 研究spaser中线宽增强现象的起源及其大小，该现象未被传统激光理论完全捕捉。
• 分析活性介质中的载流子密度如何通过线宽增强因子影响线宽。
• 将spaser中观测到的线宽展宽与现有的量子光学模型（如Schawlow-Townes）相协调。

提出的方法

• 通过定义共振波长的谱参数色散，将显式的时间依赖性引入局域表面等离子体共振的准静态模型。
• 通过引入频率依赖的有效介电函数，对等离子系统建立动态描述，以考虑增益与损耗的动力学。
• 通过分析增益介质与等离子模式耦合的复磁化率，推导出线宽增强因子。
• 采用速率方程方法模拟载流子动力学及其对光学响应的反馈，将载流子密度与光谱展宽联系起来。
• 将该模型应用于基于半导体的spaser，量化线宽增强因子与活性层载流子密度的依赖关系。
• 将理论预测与已知的激光线宽理论（特别是Schawlow-Townes公式）进行对比，以突出其偏离之处。

实验结果

研究问题

• RQ1 与Schawlow-Townes极限相比，spaser线宽为何显著展宽？
• RQ2 spaser中的线宽增强因子如何依赖于半导体增益介质中的载流子密度？
• RQ3 在准静态等离子模型中引入时间依赖动力学，对预测线宽有何影响？
• RQ4 spaser中观测到的线宽展宽能否通过标准激光线宽理论的改进版本加以解释？
• RQ5 等离子共振参数的光谱色散如何影响spaser的整体相干性特性？

主要发现

• 基于半导体的spaser中，线宽增强因子估计在3至6之间，具体取决于活性层中的载流子密度。
• 该增强效应导致线宽比假设理想条件下的Schawlow-Townes极限宽一个以上数量级。
• 线宽展宽强烈依赖于载流子密度，表明增益与等离子响应之间存在非线性反馈机制。
• 该理论模型通过考虑局域表面等离子体共振的时间依赖动力学，成功解释了实验中观测到的线宽展宽。
• 在准静态模型中引入谱参数色散对于正确捕捉线宽行为至关重要，表明纯静态描述存在局限性。
• 结果表明，由于未考虑等离子与载流子动力学的影响，传统激光线宽理论在spaser中显著低估了实际线宽。