太赫茲聲子極化激元與亞波長微結構的相互作用研究.pdf

1、固體物理中元激發(fā)是研究能量靠近基態(tài)的低激發(fā)態(tài)的過程中引入的一種重要的基本概念。典型的元激發(fā)包括有晶格振動的格波（聲子），自旋波（磁振子）等。20世紀50年代初，黃昆先生首次處理了輻射場和離子晶體中TO聲子的耦合問題。隨后，這一概念被人們用“極化激元”(polariton)表述。之后極化激元一詞被廣泛使用，泛指各種極性元激發(fā)與光子的耦合。黃昆先生建立了黃昆方程通過理論推導預言了極化激元的產(chǎn)生。聲子極化激元是屬于元激發(fā)的一種，是指晶格振動的

2、聲子與電磁場中的光子相互耦合的一種極化激元波。近年來，人們對聲子極化激元進行了大量研究，從聲子極化激元的物理機制到超快探測，利用鐵電晶體（如一片薄片鈮酸鋰）這樣一個集成化一體的平臺，可實現(xiàn)聲子極化激元的產(chǎn)生、傳輸、調控等功能。由于聲子極化激元產(chǎn)生在太赫茲波段范圍內，其在晶格的振動弛豫，太赫茲光譜，與介觀尺度的微結構相互作用等領域已經(jīng)有著非常廣泛的應用。
　　目前針對聲子極化激元已經(jīng)有著廣泛的研究，但是一系列基本問題還有待于進一步解

3、決。例如聲子極化激元的產(chǎn)生調控、超快探測，現(xiàn)有方法在定量計算和成像信噪比等方面還有待改善。各種功能結構的設計如亞波長尺寸下波導結構以及新興的太赫茲波段的超材料結構，對聲子極化激元傳播行為和色散關系的調控還需進一步研究。為了解決上述問題，為聲子極化激元的后續(xù)發(fā)展和應用研究鋪平道路，我們結合了基礎理論和已擁有的聲子極化激元探測平臺，開展了一系列新的工作。本論文主要研究內容及創(chuàng)新點如下：
　　第一，本論文從電磁場的麥克斯韋方程組和鐵電晶

4、體中晶格振蕩的基本方程出發(fā)，推導得出了聲子極化激元的物理方程，通過調控高斯型的飛秒激光脈沖，實現(xiàn)了對激發(fā)的聲子極化激元的調控。我們利用有限元方法中的偏微分方程（PDE）模塊，系統(tǒng)地研究了塊狀鈮酸鋰晶體中聲子極化激元波的產(chǎn)生和傳輸。為了得到窄帶聲子極化激元頻譜的激發(fā)波源，空間上利用光柵轉換波前的實驗方法，對激發(fā)波源的中心頻段進行初步調控，我們同時模擬計算了時間上重復激發(fā)的情況，計算了不同鈮酸鋰晶體厚度下聲子極化激元從產(chǎn)生到傳輸穩(wěn)定的形成過

5、程。該項工作為今后THz聲子極化激元波的波源選擇提供了良好的指導，也為后續(xù)工作選擇適合頻段的THz波與超材料等亞波長微結構相互作用的開展奠定了基礎。
　　第二，本文介紹了我們搭建的相位對比成像探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)相比于其它已有的幾種探測手段而言，對聲子極化激元的探測具有很高的靈敏度和信噪比，具有較高的空間和時間分辨率，能夠定量探測成像面的信息。該探測系統(tǒng)可時間分辨地定量化探測聲子極化激元在鐵電晶體中的傳播過程。該種探測方法能夠指導我們

6、有效地設計小型的，集成化的，多功能的光電器件，幫助人們更好的揭示太赫茲頻段的電磁波傳播的過程以及太赫茲波與微結構相互作用的機理。
　　第三，利用飛秒激光加工技術制備了幾種針對聲子極化激元波長范圍的亞波長功能結構，探索和研究了這些功能結構對聲子極化激元的操控行為。使用飛秒激光三維加工技術在鈮酸鋰晶體薄片上刻制了亞波長矩形波導，我們發(fā)現(xiàn)亞波長矩形波導對聲子極化激元的色散關系進行了有效的調控，這種亞波長波導實現(xiàn)了聲子極化激元在傳輸中的光

7、速減慢。此外，我們還加工了斜矩形波導，探究和分析了聲子極化激元從平板波導模式向矩形波導模式轉換的過程。此外，利用光刻和磁控濺射等手段，在鈮酸鋰晶體薄片上鍍上了幾種超材料微結構，本文中主要采用了金屬條陣列和周期裂環(huán)諧振器型微結構，分別對聲子極化激元波實現(xiàn)了帶阻濾波器和負折射的調控行為，我們利用時域有限差分理論模擬方法以及利用相位對比成像系統(tǒng)對聲子極化激元與超材料微結構中的動態(tài)過程進行了計算、探測和分析，直觀地揭示了太赫茲聲子極化激元的時間

8、空間特性。
　　綜上所述，本論文從模擬和實驗上對聲子極化激元的激發(fā)、傳輸、與微結構的作用過程進行了分析研究。在模擬方面，利用有限元和時域有限差分方法分別計算了窄帶激發(fā)聲子極化激元與泵浦光之間的選擇性關系以及聲子極化激元與超材料微結構作用的過程，指導了實驗相關參數(shù)的選擇和相關樣品微結構的設計。在實驗方面，利用飛秒激光加工、光刻和鍍膜技術在鈮酸鋰薄片這一集成平臺上制備了亞波長矩形波導，太赫茲超材料等亞波長功能微結構。利用相位對比成像探