【摘 要】
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声子极化激元是极性晶体中光子和声子耦合产生的集体电磁震荡。声子极化激元有许多出色的性质,例如强的电磁场局域,长距离传播和低损耗等,因此在亚衍射聚焦以及生物传感等领
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
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声子极化激元是极性晶体中光子和声子耦合产生的集体电磁震荡。声子极化激元有许多出色的性质,例如强的电磁场局域,长距离传播和低损耗等,因此在亚衍射聚焦以及生物传感等领域有着广泛的应用。六方氮化硼支持两种类型的双曲线型声子极化激元,其强电磁场局域和低传播损耗的特性已被提出,并在纳米光子学中有丰富的应用。散射式扫描近场光学显微镜能突破衍射极限,其空间分辨率可达到纳米量级,可以在实空间对声子极化激元进行成像,是研究二维材料、纳米光子学以及声子极化激元等领域不可或缺的表征手段。目前对声子极化激元的研究主要聚焦在氮化硼中的双曲线型声子极化激元。六方氮化硼是一种典型的各向异性的范德瓦尔斯材料,其平面内和平面外的介电常数在两个声子频率范围内异号,这两个频率范围被称为剩余射线谱带。氮化硼在这两个频率范围内的色散关系是两种不同类型的双曲线型,因此,氮化硼支持两种类型的声子极化激元。在之前的研究中,利用竖直偏振(P-pol)入射激光的散射式扫描近场光学显微镜(s-SNOM)对氮化硼边界处声子极化激元进行实空间成像时,会同时包含针尖激发和边界激发的两种声子极化激元模式,但边界激发声子极化激元的效率很低,难以被观察到。氮化硼声子极化激元相较石墨烯等离激元而言,有更长的存在寿命,传播距离,这对基于极化激元的纳米光子器件是有益的,但氮化硼是绝缘材料,声子极化激元的调控手段有限。在本论文中,我们利用散射式扫描近场光学显微镜和入射光偏振控制的手段,结合实验和数值模拟的方法,系统地研究了天然氮化硼(具有自然同位素比例的硼元素)和11B同位素富集的氮化硼(11B元素占比99.2%)两种材料中声子极化激元的近场光学性质。实验中观测到同位素富集氮化硼中的声子极化激元表现出更大的品质因子和更长的传播距离。通过旋转入射光的偏振方向,我们在实验上成功地抑制了声子极化激元的针尖激发模式,利用散射式扫描近场光学显微镜直接观察到边界激发的声子极化激元,发现氮化硼边界激发的固有声子极化激元是传播型,由氮化硼边界激发并向氮化硼内部传播。在入射光是水平偏振(S-pol)的情况下,边界激发声子极化激元的近场电场强度依赖于夹角β(入射电场方向与氮化硼边界的夹角)。结合数值模拟,我们得出相应的依赖关系式是正弦函数,即:Eedge∝|sinβ|,即在氮化硼平面内只有垂直边界的电场分量才能激发边界模式的声子极化激元。并且,在相同的测量条件下,同位素富集氮化硼中边界激发的声子极化激元的近场电场强度比天然氮化硼中的边界激发的声子极化激元的近场电场强度提高了 10%。综上所述,我们的研究表明,硼同位素富集的方法可以有效的减小声子极化激元的衰减因子,并且我们提供了一种对氮化硼声子极化激元激发和其电场分布的有效调控方式,这对开发基于声子极化激元的纳米光子应用是有益的。
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