声子极化激元与太赫兹天线的相互作用及其场局域增强特性研究

摘要

1951年，黄昆先生发表了一篇题为《论辐射场和离子晶体间的相互作用》的文章，并提出了一对唯象方程，后称“黄昆方程”。该方程首次确立了光学位移、宏观电场和电极化强度三者之间的关系。在该文中，黄昆先生首次提出了一种新的耦合振动模，并指出它是电磁场中的光子与离子晶体或者极性晶体中横向振动的光学声子之间相互耦合的结果。而后这种耦合振动模的量子于1958年被美国的物理学家 Hopfield正式命名为极化激元（polariton）。1965年，美国的物理学家Henry和Hopfield在做半导体材料GaP的拉曼散射实验时首次证实了声子极化激元的存在。随后这种耦合振动模式很快引起了人们的极大兴趣，极化激元一词也被广泛使用。近些年来人们主要通过飞秒激光脉冲激发铁电晶体（如铌酸锂、钽酸锂）来获得声子极化激元，并对其做了大量的研究。研究内容主要涉及到声子极化激元的产生、传输、与操控等方面。
　　声子极化激元的频率在太赫兹波段（0.1 THz~10 THz）内，故可将其作为一种太赫兹波源。本文即是以飞秒激光脉冲激发铁电晶体产生的声子极化激元为激发源，来研究太赫兹波与金属天线之间的相互作用及电场的局域增强特性。
　　本文首先介绍了太赫兹声子极化激元的发展历程及其用途，其次介绍了它的物理方程及相关的几种基本的成像探测手段。在本工作中设计了两种太赫兹波段的金属天线，一种为常见的对称的棒状天线结构，另一种新颖的天线结构，该对称的棒状天线结构的末端为tip形状。随后详细的介绍了以薄片铌酸锂晶体为基底的金属天线的加工过程。本文采用相衬成像法观测到了声子极化激元与太赫兹天线的作用过程及天线的场辐射现象，并分析了复合结构的局域场增强特性。通过分析发现，具有tip结构的金属天线对太赫兹波的电场局域要比无tip结构的金属天线效果显著。下一步可以做gap尺寸更小的天线结构来实现更强的局域场增强，也可以设计以天线为单元的超颖材料来研究其潜在的特性。这对于研究太赫兹波段的非线性效应具有很重要的指导意义。

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第一章 引言

第一节 声子极化激元

1．1．1 极化激元简介

1．1．2 声子极化激元的发展简介

1．1．3 声子极化激元的特点

第二节 本论文的主要研究内容

第二章 声子极化激元产生的理论机制及探测

第一节 铁电晶体简介

第二节 声子极化激元产生的理论机制

2.2.1 声子极化激元的微观模型

2.2.2 声子极化激元的宏观模型

2.2.3 声子极化激元的波动方程

2.2.4声子极化激元的色散关系

第三节 声子极化激元的探测

第三章 天线的设计和加工

第一节 天线简介

第二节 样品的加工

3．2．1 紫外光刻加工

3．2．2 磁控溅射镀膜

第四章 相位对比成像探测及实验分析

第一节光学天线简介

4．1．1 光学天线简介

4．1．2光学天线的研究进展

4．1．3光学天线的应用

第二节 相衬成像探测

第三节 天线场局域增强分析

第五章 总结与展望

第一节 总结

第二节 展望

参考文献

致谢

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