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偏振二次諧波掃描成像系統(tǒng)：激發(fā)光偏振狀態(tài)對 SHG 強度影響的機制解析
在前面三期中，我們連續(xù)展現(xiàn)了華中科技大學(xué)韓俊波教授課題組在SHG上的出色工作，從本期開始，我們開始做一些基礎(chǔ)性的討論。
本期是第三期：激發(fā)光的偏振狀態(tài)對于SHG強度的影響主要原因是什么？
激發(fā)光的偏振狀態(tài)對二次諧波生成(SHG)強度有顯著影響。
這種影響主要通過以下幾個方面體現(xiàn)：
1. 表面等離子體共振（SPR）模式的激發(fā)
p偏振光：p偏振光(偏振方向平行于入射平面)能夠更有效地激發(fā)縱向表面等離子體共振(LSPR)模式。這是因為p偏振光的電場分量與納米結(jié)構(gòu)的長軸方向一致，能夠更有效地與納米結(jié)構(gòu)相互作用，從而增強局域電場。這種增強的局域電場會顯著提高SHG的效率。
s偏振光：s偏振光(偏振方向垂直于入射平面)對LSPR模式的激發(fā)效果較弱。這是因為s偏振光的電場分量與納米結(jié)構(gòu)的長軸方向垂直，與納米結(jié)構(gòu)的相互作用較弱，因此對局域電場的增強效果有限。因此，s偏振光激發(fā)下的SHG強度通常較低。
2. 實驗觀察
實驗結(jié)果：在實驗中，作者觀察到在p偏振激發(fā)下，Au、Ag和Au–Ag–Au納米棒混合結(jié)構(gòu)的SHG強度顯著高于s偏振激發(fā)下的強度。具體來說，Ag納米棒混合結(jié)構(gòu)在p偏振激發(fā)下的SHG強度比s偏振激發(fā)下的強度高一個數(shù)量級以上。這表明p偏振光能夠更有效地激發(fā)SPR模式，從而增強SHG信號。
飽和現(xiàn)象：在高激發(fā)功率下，p偏振激發(fā)下的SHG強度會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。這是因為部分激發(fā)能量會轉(zhuǎn)化為光致發(fā)光(PL)，從而抑制了SHG的進一步增強。這種飽和現(xiàn)象在s偏振激發(fā)下不明顯，因為s偏振光激發(fā)下的SHG強度本身較低。
3. 數(shù)值模擬
FDTD模擬：通過有限差分時域(FDTD)模擬，作者計算了不同偏振狀態(tài)下納米棒的電場分布和局域場增強因子(fE)。模擬結(jié)果表明，p偏振光在納米棒的長軸方向上產(chǎn)生了更強的局域電場增強，這與實驗觀察到的SHG強度的偏振依賴性一致。具體來說，p偏振光在納米棒的長軸方向上產(chǎn)生了顯著的電場增強，而s偏振光在納米棒的短軸方向上產(chǎn)生的電場增強較弱。
4. 具體數(shù)據(jù)
Ag納米棒混合結(jié)構(gòu)：在p偏振激發(fā)下，Ag納米棒混合結(jié)構(gòu)的SHG強度比s偏振激發(fā)下的強度高一個數(shù)量級以上。這表明p偏振光能夠更有效地激發(fā)Ag納米棒的LSPR模式，從而顯著增強SHG信號。
Au納米棒混合結(jié)構(gòu)：在p偏振激發(fā)下，Au納米棒混合結(jié)構(gòu)的SHG強度也顯著高于s偏振激發(fā)下的強度，但整體強度仍低于Ag納米棒混合結(jié)構(gòu)。這表明Au的SPR效應(yīng)雖然較強，但不如Ag顯著。
Au–Ag–Au納米棒混合結(jié)構(gòu)：在p偏振激發(fā)下，Au–Ag–Au納米棒混合結(jié)構(gòu)的SHG強度介于Au和Ag納米棒混合結(jié)構(gòu)之間。這表明通過合理設(shè)計納米結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)對SHG強度的有效調(diào)控。
結(jié)論
激發(fā)光的偏振狀態(tài)對SHG強度有顯著影響。p偏振光能夠更有效地激發(fā)納米結(jié)構(gòu)的LSPR模式，從而顯著增強SHG信號。相比之下，s偏振光對LSPR模式的激發(fā)效果較弱，因此SHG強度較低。通過合理選擇激發(fā)光的偏振狀態(tài)，可以優(yōu)化SHG信號的強度，從而提高非線性光學(xué)測量的靈敏度和效率。
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