磁光等离子激元复合体系中的光学非线性、热传输及动力学行为研究

Once an external magnetic field is added, the non-reciprocity of magneto-optical (MO) materials will lead to significant changes in the electromagnetic wave transmission and the heat transfer in the system. Viewing the recent progress in the field, in this proposal we are going to start our investigations at the following two aspects:1) first, we aim to establish appropriate Mie scattering theory of magnetoplasmon nanoparticles regarding nonlocal effect, and by considering the nonlinearity of plasmonic materials, we establish the dynamic theory to study the dynamic nonlinear optical phenomena excited by circularly polarized light with different polarizations, as well as the influence of the nonlocal response on the magnetic field regulation mechanism and dynamic response time, and the modulation instability of the electromagnetic properties. 2) second, we will investigate the thermal radiation and heat transfer properties of single or multiple MO particles. By optimizing the material and structure, the circular heat flux near the particle can be enhanced. In addition, the effect of structural asymmetry on the directionality of circular heat flux and near-field heat transfer is investigated. We believe the anticipated research results of above investigations will provide theoretical basis for the accurate and efficient control of near-field heat transfer as well as nonlinear optical devices by external magnetic field, and help to promote the practical application of magneto-controlled optical or thermal functional devices.

基于磁光材料的非互易性，外加磁场的引入会导致体系中电磁波的传输以及热传递发生明显改变，针对这一问题，本项目拟开展如下两方面工作：1）建立纳米尺度下磁光等离激元复合颗粒的非局域米氏散射理论，同时考虑等离激元材料的非线性效应，建立动力学理论，探究不同极化的圆偏振光激发下体系的动态非线性光学现象，关注表面等离激元颗粒的非局域响应对磁场调控机制及动态响应时间的影响，研究体系电磁性能随时间变化的调制不稳定性。2）开展单个或多个磁光颗粒的热辐射、热传导、热循环性能研究，通过材料及结构的优化来增强颗粒表面附近循环热流，同时探究结构的不对称性对循环热流方向性以及近场热传递效果的影响。本项目研究内容是目前磁光学领域的热点之一，同时也是非线性光学中需要解决的现实问题，预期研究成果将为实现精确高效的外磁场调控近场传热及非线性光学器件提供理论基础，有助于推动新型光、热功能器件的实际应用。

磁光材料具有典型的非互易效应，被广泛应用于光隔离、光操控领域。同时，光学双稳在非线性光学器件方面也有着很大的潜在应用价值。此外，由于表面等离激元共振可以使颗粒的局域场大幅度增强，从而激发材料的光学非线性响应，同时还能增强磁光效应的强度，因此等离激元材料经常出现在磁光效应和非线性光学响应的相关研究工作中。而石墨烯作为新型等离子体材料可用来替代传统贵金属，其在光物质相互作用中有着极高的量子效率，具有很强的光学非线性和独特的等离激元特性。本项目中所提出的复合体系属于功能复合材料的一种，在人工构筑的微纳米结构中将磁光效应、非线性响应和表面等离激元紧密地结合起来，旨在通过各组分间的协同相互作用实现某种物理性能。.本项目的研究工作主要有以下几方面：1.利用磁光材料的非互易性对光传输的影响和调控作用，在新月形核壳磁光等离子体中探究兼具高带宽和超快响应时间的高Q因子的单向表面磁性等离激元传播模式。2.圆偏振光入射非线性石墨烯包裹的纳米颗粒，通过光学双稳态状态下的输入强度来调节体系的自旋轨道相互作用。3.基于流体动力学模型和微扰方法推导出非局域核壳颗粒的动力学理论，探究非局域对光学双稳的影响，并对体系的调制不稳定性进行了初步探索。4.利用人工设计超材料，极大地提高了单层二维石墨烯在可见光和近红外波长范围内的光吸收效率并同时控制相应的吸收带宽（宽带或窄带）；基于三维石墨烯的有序结构调控策略和磁电异质界面工程，实现了轻质、低填充量、宽频的微波强吸收三维磁性石墨烯吸波材料，揭示了导电损耗、极化损耗、磁损耗以及多重散射和反射等多种损耗行为。.研究等离激元复合体系的光学特性与电磁吸收性能，探索其中的新机理和新现象，对于深化理解磁光效应与表面等离激元以及非线性响应之间的协同相互作用，指导实现各类新型光电功能器件有着重要意义。

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