声子极化激元在铌酸锂晶体中的产生和调控的数值模拟

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20世纪50年代,黄昆先生通过理论推导黄昆方程而预言了声子极化激元的产生。声子极化激元是光子与声子耦合的结果,是元激发的一种。实验上通过飞秒激光脉冲照射到铁电晶体可以激发声子极化激元波,其中心频率在THz波段范围内。目前人们对声子极化激元的研究,包括产生、传播过程的调控,主要是利用铁电晶体这个一体化平台。  由于THz波段频率介于光子频率和电子频率之间,随着光子学和电子学领域研究逐渐成熟,人们已经开始深入对THz波段进行研究。声子极化激元这种元激发恰恰为我们提供了这样一个先天的平台。之前对声子极化激元研究的重点是如何提高对其时间分辨成像的水平、以及波与微结构相互作用的研究等。对其波源本身的调控操作的研究少之又少。  本文在有限元方法基础上利用声子极化激元偏微分方程组系统研究了声子极化激元产生和传播过程的调控工作以及在可见光波段增强电场的方法。  文章的第二章通过对电磁场中麦克斯韦方程组和铁电晶体晶格震荡基本方程的推导得到了声子极化激元方程组,再加以设置了高斯型的飞秒激光脉冲的激发,我们实现了声子极化激元的产生。此后,我们系统研究了对其传播过程的调控工作,在宽铌酸锂晶体中对影响中心波长的激光参数进行了系统分析,包括飞秒激光脉宽、空间尺寸。为了得到窄带声子极化激元波,我们给出了在时间上重复激发及空间上两波干涉的方法,并且发现两波干涉后的激发波中心波长出现了选择性,这为我们之后对THz波进行选频提供了新思路。  为了能更大限度地增强电场,我们在可见光波段内给出了新思路。本文第五章,纳米球对和方形孔结构结合而成的复合型结构在450nm-800nm波段下,出现了极大增强的共振峰,这个共振峰比单个纳米球对结构增强倍数大12倍,并且达到了单分子探测的水平。更重要的是,周期性阵列的复合结构的共振波长较非周期状态下出现了从560nm到760nm近200nm的红移,这是在纳米球对结构中没有的现象,这种复合结构的二次增强效应为我们实现THz波段下光场增强提供了新思路。
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