用户速递 | SHG与相关光学表征方法在等离子体纳米结构中的应用

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：

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：纳米棒的第一段和最后一段（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，亦有幸参与。希望以上的信息对大家有帮助哦，欢迎各位咨询我们相关的产品。

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