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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。

本期是基礎(chǔ)討論的第五期：在SHG實驗中，p光比s光的優(yōu)勢更明顯嗎？

在二次諧波生成（SHG）實驗中，p偏振光通常比s偏振光具有更明顯的優(yōu)勢。

這種優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1. 增強(qiáng)局域電場

· 電場方向一致性：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，從而在納米結(jié)構(gòu)的局域區(qū)域產(chǎn)生更強(qiáng)的電場增強(qiáng)。這種增強(qiáng)的局域電場是SHG過程中的關(guān)鍵因素，因為它直接提高了非線性極化率，從而增強(qiáng)了SHG信號。

· 表面等離子體共振（SPR）模式：p偏振光能夠更有效地激發(fā)縱向表面等離子體共振（LSPR）模式。LSPR模式的激發(fā)會導(dǎo)致納米結(jié)構(gòu)局域電場的顯著增強(qiáng)，從而提高SHG的效率。相比之下，s偏振光的電場分量與納米結(jié)構(gòu)的長軸方向垂直，對LSPR模式的激發(fā)效果較弱，因此局域電場的增強(qiáng)效果有限。

2. 相位匹配條件

· 相位匹配的重要性：在SHG過程中，相位匹配條件是實現(xiàn)高效非線性光學(xué)過程的關(guān)鍵。相位匹配條件要求入射光波和產(chǎn)生的二次諧波波在傳播過程中保持相位一致。如果相位不匹配，部分能量會以其他形式耗散，導(dǎo)致SHG效率降低。

· p偏振光的優(yōu)勢：p偏振光在激發(fā)LSPR模式時，能夠更好地滿足相位匹配條件。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，使得入射光波和產(chǎn)生的二次諧波波在傳播過程中更容易保持相位一致。這種對齊有助于減少相位失配，從而提高SHG的效率。

3. 實驗觀察

· SHG強(qiáng)度：在實驗中，p偏振光激發(fā)下的SHG強(qiáng)度通常顯著高于s偏振光激發(fā)下的強(qiáng)度。例如，在Ag納米棒混合結(jié)構(gòu)中，p偏振光激發(fā)下的SHG強(qiáng)度比s偏振光激發(fā)下的強(qiáng)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，從而顯著增強(qiáng)SHG信號。

· 飽和現(xiàn)象：在高激發(fā)功率下，p偏振光激發(fā)下的SHG強(qiáng)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(jìn)一步增強(qiáng)。這種飽和現(xiàn)象在s偏振光激發(fā)下不明顯，因為s偏振光激發(fā)下的SHG強(qiáng)度本身較低。

4. 數(shù)值模擬

FDTD模擬：通過有限差分時域（FDTD）模擬，可以計算不同偏振狀態(tài)下納米棒的電場分布和局域場增強(qiáng)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(qiáng)的局域電場增強(qiáng)，這與實驗觀察到的SHG強(qiáng)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(qiáng)，而s偏振光在納米棒的短軸方向上產(chǎn)生的電場增強(qiáng)較弱。

5. 具體數(shù)據(jù)

· Ag納米棒混合結(jié)構(gòu)：在p偏振光激發(fā)下，Ag納米棒混合結(jié)構(gòu)的SHG強(qiáng)度比s偏振光激發(fā)下的強(qiáng)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(qiáng)SHG信號。

· Au納米棒混合結(jié)構(gòu)：在p偏振光激發(fā)下，Au納米棒混合結(jié)構(gòu)的SHG強(qiáng)度也顯著高于s偏振光激發(fā)下的強(qiáng)度，但整體強(qiáng)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(qiáng)，但不如Ag顯著。

· Au–Ag–Au納米棒混合結(jié)構(gòu)：在p偏振光激發(fā)下，Au–Ag–Au納米棒混合結(jié)構(gòu)的SHG強(qiáng)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(qiáng)度的有效調(diào)控。

總結(jié)

p偏振光在SHG實驗中通常比s偏振光具有更明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

· 增強(qiáng)局域電場：p偏振光能夠更有效地激發(fā)LSPR模式，從而在納米結(jié)構(gòu)的局域區(qū)域產(chǎn)生更強(qiáng)的電場增強(qiáng)。

· 相位匹配條件：p偏振光能夠更好地滿足相位匹配條件，從而提高SHG的效率。

· 實驗觀察：在實驗中，p偏振光激發(fā)下的SHG強(qiáng)度顯著高于s偏振光激發(fā)下的強(qiáng)度。

因此，在設(shè)計和優(yōu)化SHG實驗時，選擇p偏振光作為激發(fā)光源通常能夠獲得更高的SHG效率和更強(qiáng)的信號。