太赫茲聲子極化激元與亞波長微結(jié)構(gòu)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(dòng)的格波（聲子），自旋波（磁振子）等。20世紀(jì)50年代初，黃昆先生首次處理了輻射場(chǎng)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(dǎo)預(yù)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(dòng)的

2、聲子與電磁場(chǎng)中的光子相互耦合的一種極化激元波。近年來，人們對(duì)聲子極化激元進(jìn)行了大量研究，從聲子極化激元的物理機(jī)制到超快探測(cè)，利用鐵電晶體（如一片薄片鈮酸鋰）這樣一個(gè)集成化一體的平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)聲子極化激元的產(chǎn)生、傳輸、調(diào)控等功能。由于聲子極化激元產(chǎn)生在太赫茲波段范圍內(nèi)，其在晶格的振動(dòng)弛豫，太赫茲光譜，與介觀尺度的微結(jié)構(gòu)相互作用等領(lǐng)域已經(jīng)有著非常廣泛的應(yīng)用。
　　目前針對(duì)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(jìn)一步解

3、決。例如聲子極化激元的產(chǎn)生調(diào)控、超快探測(cè)，現(xiàn)有方法在定量計(jì)算和成像信噪比等方面還有待改善。各種功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)如亞波長尺寸下波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以及新興的太赫茲波段的超材料結(jié)構(gòu)，對(duì)聲子極化激元傳播行為和色散關(guān)系的調(diào)控還需進(jìn)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(yīng)用研究鋪平道路，我們結(jié)合了基礎(chǔ)理論和已擁有的聲子極化激元探測(cè)平臺(tái)，開展了一系列新的工作。本論文主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　第一，本論文從電磁場(chǎng)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(dǎo)得出了聲子極化激元的物理方程，通過調(diào)控高斯型的飛秒激光脈沖，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激發(fā)的聲子極化激元的調(diào)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(zhuǎn)換波前的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)激發(fā)波源的中心頻段進(jìn)行初步調(diào)控，我們同時(shí)模擬計(jì)算了時(shí)間上重復(fù)激發(fā)的情況，計(jì)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(xiàng)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(dǎo)，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(jié)構(gòu)相互作用的開展奠定了基礎(chǔ)。
　　第二，本文介紹了我們搭建的相位對(duì)比成像探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)相比于其它已有的幾種探測(cè)手段而言，對(duì)聲子極化激元的探測(cè)具有很高的靈敏度和信噪比，具有較高的空間和時(shí)間分辨率，能夠定量探測(cè)成像面的信息。該探測(cè)系統(tǒng)可時(shí)間分辨地定量化探測(cè)聲子極化激元在鐵電晶體中的傳播過程。該種探測(cè)方法能夠指導(dǎo)我們

6、有效地設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)相互作用的機(jī)理。
　　第三，利用飛秒激光加工技術(shù)制備了幾種針對(duì)聲子極化激元波長范圍的亞波長功能結(jié)構(gòu)，探索和研究了這些功能結(jié)構(gòu)對(duì)聲子極化激元的操控行為。使用飛秒激光三維加工技術(shù)在鈮酸鋰晶體薄片上刻制了亞波長矩形波導(dǎo)，我們發(fā)現(xiàn)亞波長矩形波導(dǎo)對(duì)聲子極化激元的色散關(guān)系進(jìn)行了有效的調(diào)控，這種亞波長波導(dǎo)實(shí)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(dǎo)，探究和分析了聲子極化激元從平板波導(dǎo)模式向矩形波導(dǎo)模式轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，分別對(duì)聲子極化激元波實(shí)現(xiàn)了帶阻濾波器和負(fù)折射的調(diào)控行為，我們利用時(shí)域有限差分理論模擬方法以及利用相位對(duì)比成像系統(tǒng)對(duì)聲子極化激元與超材料微結(jié)構(gòu)中的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了計(jì)算、探測(cè)和分析，直觀地揭示了太赫茲聲子極化激元的時(shí)間

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