在SHG实验中，p光比s光的优势更明显吗？

在前面三期中，我们连续展现了华中科技大学韩俊波教授课题组在SHG上的出色工作，从本期开始，我们开始做一些基础性的讨论。

本期是基础讨论的第五期：在SHG实验中，p光比s光的优势更明显吗？

在二次谐波生成（SHG）实验中，p偏振光通常比s偏振光具有更明显的优势。

这种优势主要体现在以下几个方面：

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，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。这种增强的局域电场是SHG过程中的关键因素，因为它直接提高了非线性极化率，从而增强了SHG信号。
• 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。相比之下，s偏振光的电场分量与纳米结构的长轴方向垂直，对LSPR模式的激发效果较弱，因此局域电场的增强效果有限。

• 相位匹配的重要性：在SHG过程中，相位匹配条件是实现高效非线性光学过程的关键。相位匹配条件要求入射光波和产生的二次谐波波在传播过程中保持相位一致。如果相位不匹配，部分能量会以其他形式耗散，导致SHG效率降低。
• p偏振光的优势：p偏振光在激发LSPR模式时，能够更好地满足相位匹配条件。这是因为p偏振光的电场分量与纳米结构的长轴方向一致，使得入射光波和产生的二次谐波波在传播过程中更容易保持相位一致。这种对齐有助于减少相位失配，从而提高SHG的效率。

• SHG强度：在实验中，p偏振光激发下的SHG强度通常显著高于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，从而显著增强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。

4. 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。

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。

总结

p偏振光在SHG实验中通常比s偏振光具有更明显的优势，主要体现在以下几个方面：

• 增强局域电场：p偏振光能够更有效地激发LSPR模式，从而在纳米结构的局域区域产生更强的电场增强。
• 相位匹配条件：p偏振光能够更好地满足相位匹配条件，从而提高SHG的效率。
• 实验观察：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。

因此，在设计和优化SHG实验时，选择p偏振光作为激发光源通常能够获得更高的SHG效率和更强的信号。