极化激元(polaritons)与拉曼散射

在给出介质中的光（电磁）波与极化波混合作用而得出的极化激元方程。极化激元色散方程之后又讨论了相应的物理意义及相关的物理问题；获得极化激元的实验方法。接着还介绍和讨论了极化激元的拉曼散射。     

太赫兹表面极化激元

作为束缚于表面或界面的电磁波与极性元激发的耦合模量子,表面极化激元是克服衍射极限的核心物理.在紫外、可见以及近红外波段,表面等离子极化激元展现出了亚波长特性,具有高分辨成像等应用,并发展成为"表面等离子极化激元亚波长光学"学科;在中红外波段,表面声子极化激元发挥着同样的作用.太赫兹波段曾是人类认识的空白区域,近三十年来得以高速发展,其战略意义重大.具有克服衍射极限能力的太赫兹表面极化激元同样是小型化与集成化太赫兹器件,以及太赫兹超高分辨成像的重要物理基础.近几年来,对以石墨烯为代表的二维材料的研究突飞猛进,诞生了"石墨烯表面等离子极化激元亚波长光学"这门学科,并贡献于太赫兹领域.本文对可在太赫兹波段工作的人工超构材料、掺杂半导体、二维电子气、二维材料、拓扑绝缘体等结构材料的表面极化激元进行了较为全面的总结与介绍,为研制克服衍射极限的太赫兹集成光子学器件提供可资借鉴的物理基础.     

低维材料极化激元及其耦合特性

极化激元—光与物质中的电子、声子、激子或磁振子等发生强耦合而形成的一种新的集体振荡模式,近年来在纳米光子学领域受到了广泛的关注.低维材料极化激元拥有的高空间压缩比、低损耗、光电可调控等特点使其在微纳光子学器件中有着极高的潜在应用价值,比如石墨烯中波长可调的等离极化激元、六方氮化硼中高质量的双曲声子极化激元、三氧化钼中面内各向异性的拓扑声子极化激元、碳纳米管中的一维拉廷格液体等离极化激元等.这些极化激元相互之间以及极化激元与外场之间还能进一步发生显著的耦合相互作用,产生各种丰富新奇的物理现象,极大地拓展了极化激元的应用前景.本文以几种典型的低维纳米材料中极化激元的耦合特性为例,从表征纳米极化激元的扫描近场光学显微技术出发,首先简单介绍几种典型极化激元的基本性质,然后详细讨论各种极化激元之间以及极化激元与外场的耦合,最后展望极化激元耦合作用的潜在应用.     

Bessel型光晶格中自旋-轨道耦合极化激元凝聚的稳态结构

Bessel型光晶格是一种非空间周期性的柱对称的光晶格势场,其兼具无限深势阱和环状势阱的特征,在0阶Bessel光晶格势场中央形成深势阱,而在非0阶Beseel光晶格势场中能形成具有中央势垒的环状浅势阱.极化激元是一种半光半物质的准粒子,该准粒子甚至可以在室温条件下发生玻色-爱因斯坦凝聚相变,形成极化激元凝聚.另外,通过极化激元能级的腔诱导TE-TM分裂能在极化激元凝聚中实现足够强的自旋-轨道耦合作用.极化激元凝聚能在室温条件下实现,在其中又存在自旋-轨道耦合作用,其为量子物理的研究提供了全新的平台.本文把Bessel光晶格势场引入到极化激元凝聚系统,研究了存在自旋-轨道耦合作用下的旋量双组分极化激元凝聚系统的稳态结构.通过求解Gross-Pitaevskii方程给出了极化激元凝聚系统在实验室坐标系和旋转坐标系中极化激元凝聚系统的稳态结构,由于Bessel势场的引入,使得稳态结构更具有多样性.给出了实验室坐标系中在中央深势阱中存在的基础型高斯孤立子、多极孤立子和在环状浅势阱中存在环状孤立子和多极孤立子的稳态结构;给出了旋转坐标系中存在的涡旋环状孤立子,及其由于自旋-轨道相互作用引起的组...     

含单负材料三明治结构的电磁隧穿特性

在理论分析的基础上,结合实验研究了单负材料/正折射率材料(或单负材料)/单负材料三明治结构的电磁隧穿性质.这种结构的电磁隧穿来源于入射平面波与结构的表面或体极化激元的耦合,从理论上讨论并计算了正入射情况下这种结构中的极化激元的色散关系.发现:由单负材料作为边界而正折射率材料为中间层的三明治结构具有体极化激元,这种极化激元的共振频率随着中间层厚度的增加向低频移动;由不同性质的单负材料构成的三明治结构具有两条色散曲线,这两条色散曲线随着中间层厚度的增加而简并.随后基于L-C传输线技 关键词： 单负材料 极化激元 隧穿 L-C传输线')" href="#">L-C传输线     

纳米银线波导中表面等离极化波激发和辐射的偏振特性研究术

在可见光波段（λ=750nm）,实验研究了在端面辅助情况下,细纳米银线波导中表面等离极化波激发和辐射的偏振特性．实验发现在细纳米银线中,不同偏振态的入射光对应的表面等离极化激元的激发和传输效率有明显不同,但对应的出射光始终为方向恒定的线偏振光．对于化学合成的纳米银线,端面的轴对称性普遍比较好,对此类纳米银线进行激发时,如果入射光偏振态与纳米线近似平行,则激发和传输表面等离极化激元的效率最高;如果正交,激发和传输效率则最低．对于某些端面轴对称性较差的纳米银线,如端面为尖端或类斜面,当入射光偏振态与纳米线有一定夹角时,激发和传输表面等离极化激元的效率最高．在入射光偏振改变的过程中出射光的偏振方向始终与纳米银线平行．最后结合有限元差分方法理论解释了纳米银线中这种偏振特性的物理机理．利用纳米银线中表面等离极化激元激发和辐射的偏振特性,可以在亚波长尺寸上实现对光强和偏振态的调控．     

半导体微腔中腔模、重空穴激子模和轻空穴激子模耦合

采用传输矩阵方法利用半经典的线性色散模型,计算半导体微腔内同时存在重空穴激子、轻空穴激子时,在不同入射角度下的反射谱,同时,利用三简谐振子耦合模型计算了在不同入射角度下,腔模同时和重空穴激子模、轻空穴激子模耦合所形成的三支腔极化激元的能量,以及腔模、重空穴激子模、轻空穴激子模分别在三支腔极化激元中所占的权重,结果表明随着入射角的增加腔极化激元的高能支和两个低能支之间存在明显的反交叉现象,同时,腔模和重空穴激子模、轻空穴激子模在腔极化激元中所占的权重呈现增加或减小的趋势 关键词： 半导体微腔 腔极化激元 激子     

表面等离极化激元对电荷输运影响的自洽场理论研究

采用自洽场方法获得体系电荷密度分布，根据激子理论分析体系电荷密度矩阵，推导出表面等离极化激元（SPP）的频谱分布，并在原子轨道函数基上构造电流输运的矩阵等式，然后采用SPP频谱规范电流输运矩阵得到电流输运多项式的表达形式.进而提出因SPP影响电流输运而导致负阻现象的物理图像. 关键词： 电荷输运 表面等离极化激元 电荷密度     

GaAs量子阱半导体微腔中腔极化激元的动态行为

GaAs量子阱半导体微腔中, 光子同时与重空穴激子、轻空穴激子耦合形成腔极化激元. 本文采用三谐振子耦合模型, 计算了腔极化激元的三支的色散关系、线宽、有效质量及其群速度; 结果表明, 由于腔极化激元的三支中光子、重空穴激子、轻空穴激子所占的权重随着平面波矢（或入射角度）变化, 腔极化激元三支的线宽、有效质量及其群速度呈现出不同的动态行为.     

两耦合半无限超晶格中的局域界面声子-极化激元

采用转移矩阵方法，研究了含结构缺陷层的两耦合半无限超晶格(GaAs/AlAs)中的局域界面声子-极化激元模性质. 研究发现，含不同介电特性的缺陷超晶格结构中的局域界面声子-极化激元模在剩余射线区［ω_TO, ω_LO］的分布情况与数量存在不同，而且反对称模表现出不同的特征. 文中着重研究了缺陷层介电常数与角频率无关的缺陷超晶格，发现该结构中的局域界面声子-极化激元模对组分层的排列顺序与厚度、缺陷层的厚度以及横向波数有着不同程度的依赖.     

银-光子晶体-银结构中两Tamm等离子体极化激元的耦合

利用传输矩阵研究了银-光子晶体-银结构中两Tamm等离子体极化激元(TPPs)的耦合态。我们的数值结果表明当光子晶体的周期数n10时,存在两本征波长相同的非耦合Tamm等离子体极化激元(非耦合TPPs),当n≤10时,两非耦合Tamm等离子体极化激元发生耦合,劈裂成两本征波长不同的耦合Tamm等离子体极化激元。随着n的减小,两耦合Tamm等离子体极化激元(耦合TPPs)间的劈裂能量增大,当n=3时,劈裂能量达到287.5meV。从银-光子晶体-银结构中的实时电场分布可以得到:本征波长较长的耦合TPP由两非耦合TPPs对称耦合产生,而本征波长较短的耦合TPP由两非耦合TPPs反对称耦合产生。     

叠层/转角二维原子晶体结构与极化激元的近场光学表征

极化激元是一种光与物质发生强相互作用形成的准粒子,可以极大地压缩光波长,提供一种突破衍射极限的光调制方式,为纳米光子学、非线性光学、量子光学等相关学科的发展提供了重要支持.范德瓦耳斯二维原子晶体是研究极化激元的理想平台,通过叠层、转角可以为极化激元的调控提供额外的自由度,从而展示出新颖的光学结构和极化激元特性.本文以近场光学为主要研究方法,对近几年出现的叠层及转角二维原子晶体的各种光学结构及极化激元进行综述.综述内容包括叠层石墨烯的畴结构、转角二维原子晶体的莫尔超晶格结构、转角二维拓扑极化激元、转角石墨烯手性等离激元等.最后,对叠层/转角二维原子晶体及其极化激元的未来发展进行展望.     

等离激元增强的石墨烯光吸收

石墨烯中等离激元具有特殊的光电性质,其和入射光的强烈耦合可以引起光吸收的增强.本文基于时域有限差分法和多体自洽场理论研究了等离激元对处于光学谐振腔中的石墨烯光吸收的影响.由于石墨烯中等离激元与入射光动量和能量不匹配而不能直接相互作用,因此石墨烯上施加了金属光栅结构.研究发现光栅结构能够对入射光进行动量补偿并且能够引起其下石墨烯中的电场强度产生很大程度增强,从而导致在该石墨烯结构中太赫兹等离激元和入射光发生强烈耦合而产生太赫兹等离极化激元,同时引起石墨烯光吸收的增强.希望本文能够加深对石墨烯光电特性的理解以及可以为基于石墨烯的太赫兹光电装置提供一定的理论依据.     

十字结构银纳米线的表面等离极化激元分束特性

金属纳米线波导可以将光局域在亚波长尺度内传播, 在纳米光子集成回路方面有着重要的作用. 本文应用有限元方法, 研究了十字结构银纳米线的表面等离极化激元分束特性. 结果表明, 不同模式的表面等离极化激元在十字结构三个分支的输出依赖于端面的几何结构参数. 此外, 研究还发现由于不同模式表面等离极化激元叠加, 在十字结构的分支上出现了周期性电场分布.     

黄方程与极化激元

如果晶体元胞含两个原子,其格波(具有波的形式的晶格振动模)除了三支声学波外,还有三支光学振动波.在长波极限下(即光学声子波长远大于晶格常数),元胞中两个粒子的光学振动方向相反,而元胞的质心则保持静止.在考虑极性晶体与红外光的相互作用以及电子与晶格的相互作用时,长波长光学振动具有特殊的重要性. 对于极性晶体,正负离子在光学振动时会伴随产生极化,由此产生的宏观电场反过来又影响晶格光学振动模的频率,造成了纵光学振动(振动方向与波传播方向平行)与横光学振动(振动方向垂直于波传播方向)频率的不同.30—40年代的深入研究表明,这种…     

五层对称人工超常材料结构的表面等离子体激元

研究了由左手材料、负介电材料、常规介电材料所构成的几种五层对称结构表面等离子体激元的特性.讨论了表面等离子体激元的存在区域、色散关系、以及p和s偏振的表面色散曲线枝,发现表面模的性质强烈依赖于系统的组成材料及其组合方式;层数越多,表面色散曲线枝也越多,处在频率通带的表面极化模态也越多;在五层结构中有p和s两种偏振的表面等离子体激元,在共振时,可导致p波和s波强透射.此外,通过使用衰减全反射方法,探讨了激发并观察表面等离子体激元的可能性.     

ZnO纳米线微腔中的回音壁模激子极化激元及其激射

本刊讯 来自中国科学院上海技术物理研究所的沈学础院士做客第二十一期武汉光电论坛，作了题为ZnO纳米线微腔中的回音壁模激子极化激元及其激射——物理和应用前景的报告。     

五层对称人工超常材料结构的表面等离子体激元

研究了由左手材料、负介电材料、常规介电材料所构成的几种五层对称结构表面等离子体激元的特性.讨论了表面等离子体激元的存在区域、色散关系、以及p和s偏振的表面色散曲线枝,发现表面模的性质强烈依赖于系统的组成材料及其组合方式|层数越多,表面色散曲线枝也越多,处在频率通带的表面极化模态也越多|在五层结构中有p和s两种偏振的表面等离子体激元,在共振时,可导致p波和s波强透射.此外,通过使用衰减全反射方法,探讨了激发并观察表面等离子体激元的可能性.     

二维电子气等离激元太赫兹波器件

固态等离激元太赫兹波器件正成为微波毫米波电子器件技术和半导体激光器技术向太赫兹波段发展和融合的重要方向之一。本综述介绍AlGaN/GaN异质结高浓度和高迁移率二维电子气中的等离激元调控、激发及其在太赫兹波探测器、调制器和光源中应用的近期研究进展。通过光栅和太赫兹天线实现自由空间太赫兹波与二维电子气等离激元的耦合,通过太赫兹法布里-珀罗谐振腔进一步调制太赫兹波模式,增强太赫兹波与等离激元的耦合强度。在光栅-谐振腔耦合的二维电子气中验证了场效应栅控的等离激元色散关系,实现了等离激元模式与太赫兹波腔模强耦合产生的等离极化激元模式,演示了太赫兹波的调制和发射。在太赫兹天线耦合二维电子气中实现了等离激元共振与非共振的太赫兹波探测,建立了太赫兹场效应混频探测的物理模型,指导了室温高灵敏度自混频探测器的设计与优化。研究表明,基于非共振等离激元激发可发展形成室温高速高灵敏度的太赫兹探测器及其焦平面阵列技术。然而,固态等离激元的高损耗特性仍是制约基于等离激元共振的高效太赫兹光源和调制器的主要瓶颈。未来的研究重点将围绕高品质因子等离激元谐振腔的构筑,包括固态等离激元物理、等离激元谐振腔边界的调控、新型室温高迁移率二维电子材料的运用和高品质太赫兹谐振腔与等离激元器件的集成等。     

金膜上亚波长小孔阵列表面等离激元颜色滤波器偏振性质

金属薄膜上制备的表面等离激元颜色滤波器具有很强的颜色可调性. 在200 nm厚的金膜上, 通过聚焦离子束刻蚀, 制备一系列周期逐渐变化的圆形、方形、矩形亚波长尺寸小孔方阵列表面等离激元颜色滤波器, 改变入射光的偏振方向, 观察其超透射滤波现象. 研究发现: 对于矩形小孔阵列, 其透射光颜色随入射光偏振方向的变化而改变; 而对于圆形、方形的小孔阵列, 其透射光颜色对入射光的偏振方向并不敏感. 分析表明, 对于金膜上刻蚀的小孔结构, 虽然结构的周期性导致的表面等离激元极化子会对透射光的颜色变化产生一定影响, 但是随小孔形状变化的局域表面等离激元共振才是影响透射光颜色的决定性因素. 如果入射光没有在小孔中激发出局域表面等离激元, 则表面等离激元极化子对透射光的影响也会消失. 根据不同形状小孔周期结构透射光颜色随入射光的偏振变化特点, 制备出了包含两种小孔形状的复合周期结构. 随着入射光偏振方向的改变, 该结构会显示出不同的颜色图案. 关键词： 表面等离激元极化子 局域表面等离激元 颜色滤波器 亚波长小孔阵列