卓立汉光偏振二次谐波扫描成像系统助力华中科技大学实现纳米结构 SHG 调控新突破

本文引用自华中科技大学韩俊波老师课题组2018年在NanoScale杂志上发表的相关文章。

本文已经经过作者同意，进行引用。

相关信息如下：

• Plasmon-enhanced versatile optical nonlinearities in a Au–Ag–Au multi-segmental

• hybrid structure

• Nanoscale, 2018, 10, 12695–12703

• DOI: 10.1039/c8nr02938e

等离子体纳米结构因其显著的线性和非线性光学特性，在非线性光学、增强基底和光子器件领域引起了广泛关注。这些结构具有独特的光子-电子相互作用行为、较大的表面等离子体共振（SPR）吸收和强烈的局域场限制。为了实现大的局域电磁场增强和宽SPR波长可调性，已经开发了许多物理和化学技术来制造金属纳米结构。许多研究工作已经开展，以研究不同介电环境下的纳米颗粒、纳米三角形、纳米星和纳米棒等的线性和非线性特性。由于模拟结果如预期所示，并且能够很好地指导实验，因此取得了巨大成功。这令人兴奋，因为可以通过将多个等离子体单元组装在一起，设计和制造具有特殊功能和强光-物质相互作用的复杂结构。

有序的纳米棒阵列是在通过两步阳极氧化法制备的阳极氧化铝（AAO）膜中生长的。通过改变沉积时间控制每段纳米棒或纳米棒部分的长度。在含有HAuCl4·4H2O（0.01 M）和H2SO4酸（0.1 M）的电解液中，通过交流电解（50 Hz，11 V交流）在AAO膜中沉积金纳米棒，沉积时间为280秒。在含有AgNO3（0.0176 M）和H2SO4酸（0.16 M）的电解液中沉积银纳米棒，沉积时间为40秒。Au–Ag–Au纳米棒的沉积如下：纳米棒的*一段和*后一段（金）在与金纳米棒沉积相同的条件下沉积120秒，第二段（银）在与银纳米棒沉积相同的条件下沉积。

本文中，使用紫外-可见-近红外光谱光度计记录吸收光谱，场发射扫描电子显微镜和场发射透射电子显微镜观察AAO膜和纳米棒的形貌。

同时，使用钛宝石激光器作为光源，脉冲宽度为130 fs，重复率为76 MHz。使用衰减器调节激发功率，使用半波片和Glan-Taylor棱镜改变激光偏振。激光束通过凸透镜聚焦。混合结构固定在旋转平台上，该平台安装在电动平移台上。透射激光由探测器收集。使用光阑在开孔状态和闭孔状态之间切换，进行了ZScan的相关测试。

SHG和PL的测量，通过使用75 mm凸透镜将800 nm激发激光聚焦到混合结构上进行SHG测量，入射角为65°。通过Andor的500mm焦距光谱仪与EMCCD收集光谱。使用长波通和短波通滤光片净化信号。PL测量与SHG设置相似，只是滤光片不同。

图1. 原文中图4的ZScan扫描结果

图2. 原文中的图6为偏振依赖的SHG结果

图3. 原文中为图7的SHG激发功率依赖结果

图4. 原文中为图8的Ag纳米棒的SHG强度与激发功率的关系

从本文中，其实可以很明显看到偏振甚至于激发功率强度变化与SHG的关系。

那么，为什么SHG对偏振例如p光和s光有如此强的依赖关系呢？我们可以从本文中找到一些答案，并且与大家进行讨论。

p偏振光（偏振方向平行于入射平面）能够显著增强二次谐波生成（SHG）效率，主要是通过以下几个机制实现的：

1. 增强局域电场

• 电场方向一致性：p偏振光的电场分量与纳米结构的长轴方向一致。这种方向一致性使得电场能够更有效地与纳米结构相互作用，从而在纳米结构的局域区域产生更强的电场增强。
• 表面等离子体共振（SPR）模式：p偏振光能够更有效地激发纵向表面等离子体共振（LSPR）模式。LSPR模式的激发会导致纳米结构局域电场的显著增强，从而提高SHG的效率。具体来说，LSPR模式的激发使得纳米结构的局域电场强度显著增加，这直接导致了SHG信号的增强。

2. 实验观察

• 实验结果：在实验中，p偏振光激发下的SHG强度显著高于s偏振光激发下的强度。例如，在Ag纳米棒混合结构中，p偏振光激发下的SHG强度比s偏振光激发下的强度高一个数量级以上。这表明p偏振光能够更有效地激发SPR模式，从而增强SHG信号。

• 饱和现象：在高激发功率下，p偏振光激发下的SHG强度会出现饱和现象。这是因为部分激发能量会转化为光致发光（PL），从而抑制了SHG的进一步增强。这种饱和现象在s偏振光激发下不明显，因为s偏振光激发下的SHG强度本身较低。

3. 数值模拟

• FDTD模拟：通过有限差分时域（FDTD）模拟，可以计算不同偏振状态下纳米棒的电场分布和局域场增强因子（fE）。模拟结果表明，p偏振光在纳米棒的长轴方向上产生了更强的局域电场增强，这与实验观察到的SHG强度的偏振依赖性一致。具体来说，p偏振光在纳米棒的长轴方向上产生了显著的电场增强，而s偏振光在纳米棒的短轴方向上产生的电场增强较弱。

4. 具体机制

• 电场增强：p偏振光的电场分量与纳米结构的长轴方向一致，能够更有效地激发LSPR模式。这种激发导致局域电场的显著增强，从而提高SHG的效率。

• 相位匹配条件：在某些情况下，p偏振光能够更好地满足相位匹配条件。相位匹配条件是实现高效SHG的关键因素之一。p偏振光能够更有效地激发LSPR模式，从而更好地满足相位匹配条件，提高SHG效率。

• 非线性极化率：p偏振光能够更有效地激发纳米结构的非线性极化率，从而提高SHG的效率。非线性极化率的增强直接导致了SHG信号的增强。

5. 具体数据

• Ag纳米棒混合结构：在p偏振光激发下，Ag纳米棒混合结构的SHG强度比s偏振光激发下的强度高一个数量级以上。这表明p偏振光能够更有效地激发Ag纳米棒的LSPR模式，从而显著增强SHG信号。

• Au纳米棒混合结构：在p偏振光激发下，Au纳米棒混合结构的SHG强度也显著高于s偏振光激发下的强度，但整体强度仍低于Ag纳米棒混合结构。这表明Au的SPR效应虽然较强，但不如Ag显著。

• Au–Ag–Au纳米棒混合结构：在p偏振光激发下，Au–Ag–Au纳米棒混合结构的SHG强度介于Au和Ag纳米棒混合结构之间。这表明通过合理设计纳米结构，可以实现对SHG强度的有效调控。

结论

p偏振光能够显著增强SHG效率，主要是通过增强局域电场、更好地满足相位匹配条件以及提高非线性极化率来实现的。通过合理选择激发光的偏振状态，可以优化SHG信号的强度，从而提高非线性光学测量的灵敏度和效率。

以上的工作，恭喜华中科技大学韩俊波教授课题组，卓立汉光亦有幸参与。

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