太赫兹声子极化激元与亚波长微结构的相互作用研究

摘要

固体物理中元激发是研究能量靠近基态的低激发态的过程中引入的一种重要的基本概念。典型的元激发包括有晶格振动的格波（声子），自旋波（磁振子）等。20世纪50年代初，黄昆先生首次处理了辐射场和离子晶体中TO声子的耦合问题。随后，这一概念被人们用“极化激元”(polariton)表述。之后极化激元一词被广泛使用，泛指各种极性元激发与光子的耦合。黄昆先生建立了黄昆方程通过理论推导预言了极化激元的产生。声子极化激元是属于元激发的一种，是指晶格振动的声子与电磁场中的光子相互耦合的一种极化激元波。近年来，人们对声子极化激元进行了大量研究，从声子极化激元的物理机制到超快探测，利用铁电晶体（如一片薄片铌酸锂）这样一个集成化一体的平台，可实现声子极化激元的产生、传输、调控等功能。由于声子极化激元产生在太赫兹波段范围内，其在晶格的振动弛豫，太赫兹光谱，与介观尺度的微结构相互作用等领域已经有着非常广泛的应用。
　　目前针对声子极化激元已经有着广泛的研究，但是一系列基本问题还有待于进一步解决。例如声子极化激元的产生调控、超快探测，现有方法在定量计算和成像信噪比等方面还有待改善。各种功能结构的设计如亚波长尺寸下波导结构以及新兴的太赫兹波段的超材料结构，对声子极化激元传播行为和色散关系的调控还需进一步研究。为了解决上述问题，为声子极化激元的后续发展和应用研究铺平道路，我们结合了基础理论和已拥有的声子极化激元探测平台，开展了一系列新的工作。本论文主要研究内容及创新点如下：
　　第一，本论文从电磁场的麦克斯韦方程组和铁电晶体中晶格振荡的基本方程出发，推导得出了声子极化激元的物理方程，通过调控高斯型的飞秒激光脉冲，实现了对激发的声子极化激元的调控。我们利用有限元方法中的偏微分方程（PDE）模块，系统地研究了块状铌酸锂晶体中声子极化激元波的产生和传输。为了得到窄带声子极化激元频谱的激发波源，空间上利用光栅转换波前的实验方法，对激发波源的中心频段进行初步调控，我们同时模拟计算了时间上重复激发的情况，计算了不同铌酸锂晶体厚度下声子极化激元从产生到传输稳定的形成过程。该项工作为今后THz声子极化激元波的波源选择提供了良好的指导，也为后续工作选择适合频段的THz波与超材料等亚波长微结构相互作用的开展奠定了基础。
　　第二，本文介绍了我们搭建的相位对比成像探测系统，该系统相比于其它已有的几种探测手段而言，对声子极化激元的探测具有很高的灵敏度和信噪比，具有较高的空间和时间分辨率，能够定量探测成像面的信息。该探测系统可时间分辨地定量化探测声子极化激元在铁电晶体中的传播过程。该种探测方法能够指导我们有效地设计小型的，集成化的，多功能的光电器件，帮助人们更好的揭示太赫兹频段的电磁波传播的过程以及太赫兹波与微结构相互作用的机理。
　　第三，利用飞秒激光加工技术制备了几种针对声子极化激元波长范围的亚波长功能结构，探索和研究了这些功能结构对声子极化激元的操控行为。使用飞秒激光三维加工技术在铌酸锂晶体薄片上刻制了亚波长矩形波导，我们发现亚波长矩形波导对声子极化激元的色散关系进行了有效的调控，这种亚波长波导实现了声子极化激元在传输中的光速减慢。此外，我们还加工了斜矩形波导，探究和分析了声子极化激元从平板波导模式向矩形波导模式转换的过程。此外，利用光刻和磁控溅射等手段，在铌酸锂晶体薄片上镀上了几种超材料微结构，本文中主要采用了金属条阵列和周期裂环谐振器型微结构，分别对声子极化激元波实现了带阻滤波器和负折射的调控行为，我们利用时域有限差分理论模拟方法以及利用相位对比成像系统对声子极化激元与超材料微结构中的动态过程进行了计算、探测和分析，直观地揭示了太赫兹声子极化激元的时间空间特性。
　　综上所述，本论文从模拟和实验上对声子极化激元的激发、传输、与微结构的作用过程进行了分析研究。在模拟方面，利用有限元和时域有限差分方法分别计算了窄带激发声子极化激元与泵浦光之间的选择性关系以及声子极化激元与超材料微结构作用的过程，指导了实验相关参数的选择和相关样品微结构的设计。在实验方面，利用飞秒激光加工、光刻和镀膜技术在铌酸锂薄片这一集成平台上制备了亚波长矩形波导，太赫兹超材料等亚波长功能微结构。利用相位对比成像探测系统，可以进行时间分辨的高信噪比的定量探测。系统地研究了这几种亚波长微结构对于声子极化激元色散关系的调控，并对其动态传播过程进行了研究和分析，直观地揭示了太赫兹电磁波在这些功能器件中传输的时间空间特性，对于今后集成化的太赫兹光学微结构器件的设计具有重要的指导意义。

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第一章 绪论

第一节 太赫兹声子极化激元的发展背景

第二节 太赫兹声子极化激元的研究发展及应用

第三节 本文的研究工作和意义

第二章 声子极化激元的产生机理与相位对比成像探测系统

第一节 声子极化激元产生的物理机理

第二节 相位对比法超快成像探测系统

第三节 本章小结

第三章 声子极化激元与亚波长波导结构的作用和激发调控研究

第一节 铌酸锂晶体中微结构的制备

第二节 声子极化激元在亚波长矩形波导中传输特性的研究

第三节 声子极化激元在铌酸锂薄片中激发调控的研究

第四节 本章小结

第四章 声子极化激元与超材料功能微结构的作用研究

第一节 超材料功能微结构

第二节 声子极化激元与金属条阵列型超材料的作用研究

第三节 声子极化激元与SRR型负折射率超材料的作用研究

第四节 本章小结

第五章 总结和展望

第一节 论文总结

第二节 展望

参考文献

致谢

个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果