许宪岳压电超晶格中极化激元的色散关系计算

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1、压电超晶格中极化激元的色散关系计算1绪论1.1引言长期以来,人们对具有周期结构的物质的研究始终兴趣不减。晶体中的周期性势场导致在其中运动的电子的能带结构，只有处于通带中的电子才能在晶体中自由运动,处于禁带中的电子则不能传播。在诸如超晶格的人工材料中，对相关物理参数的周期性调制也同样会引起带结构。比如对介电常数进行调制则形成光子晶体，它在抑制自发辐射,控制光的传播路径和制备新型激光器等方面有重要应用前景；对非线性光学系数进行调制则可应用于准位相匹配频率转换。近来由周期性弹性材料组成的声子晶体也引起了人们的关注。这

2、种调制结构可以拓展到准周期、非周期乃至二维结构.被调制的参数可以更为复杂些，比如对铁电畴或压电系数进行调制。两个甚至更多的参数被同时调制会引起一些耦合效应。在晶体中，电子、光子和声子之间会发生耦合。例如,在离子晶体中晶格振动的横光学声子和光子的耦合产生极化激元并导致红外吸收。如果超晶格中铁电畴或压电系数受到调制,则会引起超晶格振动和电磁波间的耦合。可以预计在这样的人工材料中会有类似的诸如激发极化激元等效应的出现.这一想法已经在横超晶格振动与光子的耦合中得到了证实。1.2国内外研究状况自从我国著名的科学家黄昆教授

3、提出极化激元这一概念以来，对极化激元的研究一直以来就是一个非常热门的领域。极化激元是凝聚态物质中一类重要的元激发，是电磁波与物质极化波的混合态或耦合模[5]。1950年黄昆教授综合介质的电磁理论和晶格动力学理论对极性晶体提出了一对唯象方程。这个方程提供了处理极性晶体光学振动的基础，称为“黄方程”。1951年黄昆教授从黄方程出发，又推导出晶体中的声子与电磁波的耦合振荡模式。他所预见的声子与电磁波的耦合振动模式于1963年首先被半导体磷化镓的Raman散射实验所证实，被命名为极化激元。第27页共26页压电超晶格中极

4、化激元的色散关系计算经过几十年对极化激元探索，目前对极化激元的研究有了进一步的发展。上世纪70年代末，在冯端教授的带领下，闵乃本教授等巧妙地利用了在晶体生长过程中出现的生长条纹，成功地验证了准位相匹配理论。这一成功使闵乃本敏锐地意识到这类微结构材料具有潜在的应用价值，于是萌生了发展和建立一套有关该类材料的系统理论并探索其应用前景的设想。经过几年的研究提出了离子型声子晶体的概念，发展了相应的理论，在实验上证实了离子型声子晶体中存在超晶格振动与电磁波的强烈耦合[6,7]，观察到原先存在于离子晶体中的极化激元等长光波

5、行为[8]，预言了一些可能的物理效应。后来，自1980年以来他们将超晶格的概念从半导体推广到电介质，制备了周期和准周期介电超晶格，实现了二次谐波产生、多波长二次谐波产生、三次谐波产生、光学双稳以及超高频超声波产生。另外他们又通过对介电材料中微结构的设计与控制，研制成介电超晶格材料。利用其中的线性、非线性效应，实现了对光、声的频率、强度、位相、偏振、传播方向等的转换和控制。构建了介电超晶格中电磁波、弹性波、极化激元传播与激发的理论体系，发展了介电超晶格材料的设计、制备的理论、方法和工艺，发现了一批新的物理效应，并

6、研制成相关器件原型。他们主要成就有：将准位相匹配理论拓展到耦合参量过程，建立了多重准位相匹配理论，设计制备了准周期光学超晶格[9,10]，实验证实了多重准位相匹配理论，并获得激光三倍频的高效转换，为在国际上形成“准位相匹配材料”研究热点做出了贡献[11]；与全固态激光技术相结合，研制出全固态超晶格多色和白光激光器。发展了二维光学超晶格中的四波动力学理论，预言并证实了其中存在光学双稳，失稳、混沌现象，提出了新的光学双稳机制。设计制备了二维“非线性光子晶体”，发现了材料中光散射的准位相匹配倍频增强效应。建立了超晶格

7、中超声波传播与激发的理论，研制出高频超声原型器件；提出了离子型声子晶体概念，预言并验证了介电超晶格中由超晶格振动与电磁波耦合产生的极化激元，将长波光学性质由红外波段拓展至微波波段[12]。近来，朱永元教授等在压电晶体中发现了一种在离子晶体中不可能存在的新型极化激元[13]：由于压电效应的各向异性，超晶格横振动和纵振动都有可能伴随着超晶格的横向极化，该极化与电磁波耦合，都导致极化激元的产生[14]，从而扩展了极化激元的概念。尤其是在铁电超晶格中的声波与电磁波的耦合，提出了一种新的极化激元的概念。其物理思想是由于铁

8、电超晶格中声学声子色散关系的折叠效应，使晶格振动声学支与电磁波通过压电效应发生耦合，形成极化激元[15,16]。第27页共26页压电超晶格中极化激元的色散关系计算1.3课题研究方向与研究内容本论文首先研究了离子晶体中的长光学横波与电磁波的耦合波，接着主要研究了在压电超晶格中纵向声波通过压电效应与电磁波的耦合，用平面波展开方法推导出极化激元的色散关系方程，探讨了铁电调制结构的结构参数对极