本发明涉及一种信号放大器的设计方法，尤其涉及一种基于sio2@au核壳纳米颗粒和半导体量子点复合体系的信号放大器的设计方法。
背景技术：
1、金属纳米颗粒(mnp)/半导体量子点(sqd)复合体系中存在激子-等离激元强耦合现象。通过调节系统中激子-等离激元的耦合强度，可以观察到一系列引人入胜的非线性光学现象。国内外学者围绕杂化分子体系的非线性光学特性进行了广泛而深入的研究。2008年，zhu等人指出，当激子与等离激元之间的强耦合作用引发四波混频时，复合体系的克尔非线性效应将显著增强，(lu z，zhu k d.enhancing kerr nonlinearity ofa stronglycoupled exciton-plasmon in hybrid nanocrystal molecules[j].journal of physicsb：atomic，molecular and optical physics，2008，41(18)：185503.)。到了2012年，li等人进一步研究了同一系统中四波混频下的非线性吸收和非线性折射效应，揭示了体系中独特的光学双稳态特性，(li j b，kimn c，cheng m t，et al.optical bistability andnonlinearity of coherently coupled exciton-plasmon systems[j].optics express，2012，20(2)：1856.)。而在2018年，paspalakis等人提出复合体系中的非线性光整流效应(nonlinear optical rectification)与光学双稳(optical bistability)的出现息息相关，(f，antón m a，paspalakis e.nonlinear optical rectification andoptical bistability in a coupled asymmetric quantum dot-metal nanoparticlehybrid[j].journal ofapplied physics，2018，124(11)：113107.)。
2、电介质@金属核壳纳米颗粒是一种通过化学键或其他作用力将金属纳米颗粒包覆在电介质内部的纳米级复合结构材料。作为近年来备受关注的新型复合材料，核壳型金属纳米颗粒拥有一些金属纳米颗粒没有的优异性能。2019年，naeema等人揭示了核壳型金属纳米颗粒的壳层厚度以及化学成分对sqd所受的总电场的显著影响，这一发现为我们调控和优化复合材料的性能提供了新的思路，(naeimi z，mohammadzadeh a，miri m f.opticalresponse of a hybrid system composed of a quantum dot and a core-shellnanoparticle[j].journal of the optical society of america b，2019，36(8)：2317.)。2020年，nugroho进一步观察到sqd/mns复合体系中的双光子吸收现象，其强度超出了扰动范围，展现了急剧增强的特性，(nugroho b s，iskandar a a，malyshev v a，etal.plasmon-assisted two-photon absorption in a semiconductor quantum dot-metallic nanoshell composite[j].physical review b，2020，102(4)：045405.)。然而，尽管核壳型金属纳米颗粒的研究取得了显著进展，但在sio2@au核壳纳米颗粒(mns)和半导体量子点(sqd)复合结构中关于差频产生和四波参量放大的研究仍然相对匮乏。目前，信号放大器件的放大倍数普遍偏小，因此，发明一种具有超强信号放大能力的器件显得尤为重要。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于sio2@au核壳纳米颗粒和半导体量子点复合体系的信号放大器的设计方法，这个设计方法可以通过改变mns壳层厚度和纳米颗粒之间的距离，可以在大的泵浦场频率范围内实现高效的四波参量放大。探测波增益可以实现从1到2.06×1014的大范围可调节。
2、为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种基于sio2@au核壳纳米颗粒和半导体量子点复合体系的信号放大器的设计方法，包括以下步骤：
3、1)构建sio2@au核壳纳米颗粒和半导体量子点复合体系；
4、所述复合体系包括多个有序排列的杂化分子；杂化分子包括sio2@au核壳纳米颗粒和半导体量子点；所述sio2@au核壳纳米颗粒包括au核和sio2电介质外壳；au核的半径表示为rc，sio2@au核壳纳米颗粒的总半径表示为rs，sio2电介质壳层的厚度表示为δr＝rs-rc；背景介质的介电常数为εb、sqd的介电常数为ε1、mns的金核和介质壳的介电常数分别表示为εh和εk；sio2@au核壳纳米颗粒和半导体量子点两颗粒中心的间距为d；
5、2)用一个强泵浦场(epu，ωpu)和一个弱探测场(epr，ωpr)的共同作用在步骤1)的复合体系上，使得激子与等离激元之间产生可调节的共振耦合；
6、3)根据预期探测波的增益因子g调整步骤1)中复合体系的sio2@au纳米颗粒总半径rs、au核的半径rc、颗粒间距d和泵浦场强度ipu的大小；
7、
8、所述a1(l)表示探测波e1在非线性分子材料的边界z＝l的振幅；
9、
10、a1(0)为已知的探测波在z＝l处的初始振幅，
11、i表示一个虚数单位，α±1表示非线性吸收系数，δk表示波失失配量，κ±1表示非线性耦合系数，l表示介质的长度；
12、预设a1(0)＝a*-1(0)，则η±可写为：
13、
14、其中α-1*和κ-1*分别表示α-1和κ-1的共轭。
15、上述的基于sio2@au核壳纳米颗粒和半导体量子点复合体系的信号放大器的设计方法，优选的，所述半导体量子点包括cdse量子点。
16、上述的基于sio2@au核壳纳米颗粒和半导体量子点复合体系的信号放大器的设计方法，优选的，所述步骤2)中复合体系产生可调节的共振耦合时，复合体系在旋波近似下的哈密顿量为：
17、
18、其中δpu＝ωex-ωpu为激子-泵浦失谐量，σij＝|i>＜j|(i，j＝0，1)表示从|i>到|j＞态的跃迁算符，w0＝2σz＝σ11-σ00表示激子的粒子数反转，μ表示电偶极矩；sqd所受的总电场esqd可表示为：
19、
20、其中εeff＝(ε1+2εb)/(3εb)表示sqd的有效介电常数，π1＝[1+2γ1(ω)rs3/d3]/εeff表示电场增强因子，π2＝[∑nn(n+1)(n+1)2γn(ω)psqdr22n+1]/(8πε0εbεeffd2n+4)与反馈参量相关，它的实部对应激子频移量，虚部对应激子向mns传输能量的速率；psqd为sqd的电偶极矩，δ＝ωpr-ωpu为探测-泵浦失谐量。
21、与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的基于sio2@au核壳纳米颗粒和半导体量子点复合体系的信号放大器的设计方法，通过改变mns壳层厚度和纳米颗粒之间的距离，可以在大的泵浦场频率范围内实现高效的四波参量放大。
22、当颗粒间距d＝22nm且泵浦强度ipu＝20ghz2时，探测波增益因子g随着壳层厚度δr的增大先增大后减小，并在δr＝2.1nm的位置处达到2.06×1014的最大值。此外，泵浦场强度对增益效果不是很敏感。这意味着通过对壳层厚度δr和颗粒间距d进行优化，其探测波增益可以实现从1到2.06×1014的超大范围连续可调。
1.一种基于sio2@au核壳纳米颗粒和半导体量子点复合体系的信号放大器的设计方法，其特征在于；包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于sio2@au核壳纳米颗粒和半导体量子点复合体系的信号放大器的设计方法，其特征在于：所述半导体量子点包括cdse量子点。
3.根据权利要求1所述的基于sio2@au核壳纳米颗粒和半导体量子点复合体系的信号放大器的设计方法，其特征在于：所述步骤2)中复合体系产生可调节的共振耦合时，复合体系在旋波近似下的哈密顿量为：
