基于时间分辨定量成像的太赫兹声子极化激元的研究

Phonon polariton is a result of the coupling of an infrared photon with a transverse optic phonon (polar lattice vibration). It is a quasi-particle with partly electromagnetic and partly mechanical energy, and an important number of elementary excitation families. In these years, femtosecond laser pulses can produce terahertz phonon polariton in ferroelectric crystal by impulsive stimulated Raman scattering effect. We have developed a time-resolved quantitative imaging system for terahertz phonon polariton. The time resolution is one-tenth of the duration of terahertz phonon polariton, the spatial resolution is a small percentage of the wavelength, and the change of intensity and phase of terahertz phonon polariton can be quantitatively time-resolved detected. In this project, making use of the particular advantages of this technique, we can do some research, which people highly concern about but cannot study using normal techniques. To the research of elementary excitation and micro/nano ultrafast photonics, we mainly study the coupling process of terahertz phonon polariton to subwavelength waveguide and the controlling effect of subwavelength waveguide to the propagtion of terahertz phonon polariton; the interaction of terahertz phonon polariton with negative index metamaterials; based on the above-mentioned research branches, we will try to looking for the controlling methods of terahertz phonon polariton. This project will make new branch for the research of elemmentary excitation, do good to the research of micro/nano ultrafast photonics, and has great significance of theoretical research and practical applications.

声子极化激元是光子与晶体的横光学（TO）声子相耦合的准粒子，是元激发家族的重要一员。近年来，在铁电晶体中，用飞秒激光通过脉冲受激拉曼散射，可以形成一种太赫兹声子极化激元。针对这种极化激元，我们发展了一套时间分辨定量成像技术，时间分辨率是其脉宽的十分之一，空间分辨率是其波长的几十分之一，而且可以对其强度、位相等变化进行实时的定量探测。在本课题中，基于实验技术方面的独特优势，针对声子极化激元以及微纳光子学研究中的一些关键性的瞬态问题，我们主要研究太赫兹声子极化激元向亚波长波导耦合的过程、亚波长波导对太赫兹声子极化激元传播的调控过程等瞬态效应及其物理机理；研究太赫兹声子极化激元与负折射超颖材料的相互作用过程及其物理机理；在此基础上探讨太赫兹声子极化激元的调控方法。本课题的研究结果会为元激发的研究注入新的内容，为微纳光子学的瞬态问题研究提供一定的支撑，具有重要的科学意义和实际应用价值。

太赫兹声子极化激元作为元激发家族中的重要一员，对光和物质相互作用、太赫兹技术、微纳光子学等方面的研究都有着重要的科学意思和实际应用价值。在本项目的研究中，我们主要利用超时空分辨的成像技术，对亚波长结构中的太赫兹声子极化激元的耦合、传输、局域过程，超颖材料与太赫兹声子极化激元的相互作用与调控，太赫兹声子极化激元的非线性效应等方面进行了研究。1、观测到了法珀腔中太赫兹波的演化过程，展示了驻波模式以及光场局域的过程，分析了信号的频域信息以及不同模式的空间分布，为在时域内研究微腔物理提供了有力手段。2、观测到了亚波长矩形波导中太赫兹波的传输情况，用有效折射率分析的方法给出了合理的解释。并发现了其特有的反常色散。对集成光子学和信息光学的研究有重要的参考价值。3、观测到了太赫兹波从亚波长平面波导进入到亚波长矩形波导中的模式转化过程，发现一种“反常的波前扭转”现象。构建二态哈密顿体系，对实验现象进行了解释。这个过程应该是光子学集成芯片中非常重要的一个问题。4、通过数值模拟分析，发现不同折射的建立都需要一定的时间。负折射和零折射建立需要较长时间的现象，证明它们并没有违反因果律和超越光速。这些结果对电磁波与材料的相互作用的认识有一定的借鉴意义。5、考虑超材料原胞之间的相互作用，设计和制作了周期阵列的超材料结构，提出了赝等离子激元晶体的概念。这个结构可以作为一个0.6—1.0 THz带阻滤波器，实现波导模式的选择。这为实现THz波的集成化器件奠定了基础。6、设计并制备了复合天线结构与铌酸锂亚波长波导相耦合的光子学微结构，获得频率相关的太赫兹场增强。并且发现当太赫兹波的频率接近于天线的第一级共振频率时，它的能量被局域到晶体表面上。7、通过声子极化激元和贋等离子激元这两种元激发的耦合，实现了导波向表面波的转化。8、提出两种侧向激发方式，可以调控THz波的频率和线宽。线宽可以窄到10 GHz，这是之前的研究尚未实现的。准单色THz波实现从0.27-0.9 THz的动态调控，这对于高精度、动态的实时检测和传感具有重要的意义。9、和频和差频是非线性光学的基本物理现象，对拓展激光频谱、信号探测等领域有着重要的意义。但是其形成过程一直未被观测到。而我们利用超时空分辨的成像系统，并严格设计了非线性产生的过程，拍下了和频和差频产生的过程。这有利于我们理解非线性光物理的物理本质和更好地利用非线性效应。