双曲声子极化激元的近场调控综述

在实际应用中,有效的操控极化激元给纳米光子器件、亚波长成像、异常折射等领域带来了巨大的发展前景而广受关注,但传统介质材料中的极化激元的调控灵活度相对较低,不能满足现实的广阔需要成为具有挑战性的难题。然而,声子极化激元作为一种光子——声子强耦合的新型准粒子,与其他的极化激元相比,具有更强的束缚光的能力、更长的寿命以及更低的损耗,在亚波长尺度红外光调控领域能够发挥举足轻重的作用。近年来,随着对二维范德瓦尔斯晶体的相关研究及报道,能够承载双曲声子极化激元的介质材料步入大众视野,并且在具有超高分辨率的纳米成像技术的支持下,很多新颖的近场红外光学现象在多种操控手段下被发掘,这极大的丰富了人们对于极化激元的认知。此综述首先从双曲声子极化激元的机理入手,介绍了声子极化激元的概念、色散关系和近期被广泛关注的双曲介质（h-BN、α-MoO₃）。随后,总结了双曲声子极化激元在上述介质中的不同传播特性以及多种维度调控下的近场成像分析,例如改变范德华晶体的周围介质环境、谐振腔、金属天线的面内调控等等。最后,我们对声子极化激元的研究进行了展望。多样的调控手段展现了声子极化激元的丰富应用,这对纳米成像、集成光路、纳米透镜等红外纳米光子器件提供可借鉴的途径,同时在未来可能还会衍生出更多新兴领域。     

在极化声子共振区基于级联差频产生高频太赫兹波

提出了一种在晶体极化声子共振区利用级联差频在Mg O∶Li Nb O3平板波导中产生高频太赫兹波的方法。不同于传统的基于两束近红外光直接差频产生太赫兹波,本文首先利用两束近红外光在周期极化铌酸锂(PPLN)晶体中产生低频太赫兹波和一系列级联光,然后将上述级联光耦合导入平板波导中,通过改变平板波导的尺寸优化各阶差频的相位失配分布,经级联差频高效产生高频太赫兹波。借助Mg O∶Li Nb O3晶体极化声子共振区巨大的非线性光学系数,以及Mg O∶Li Nb O3平板波导中被降低的太赫兹波吸收系数,在室温下通过输入两束强度均为100 MW/cm2的差频光,得到了频率为5 THz的高频太赫兹波,太赫兹波强度为88.2396 MW/cm2,能量转换效率为44.12%。本文为产生高频、高功率太赫兹波提供了一种全新方法,可以推动高频太赫兹波在未来高速无线通信领域的应用。     

基于非线性光学差频及参量效应的太赫兹源

基于非线性光学技术的THz源具有其独特的性能和优点,将基于非线性光学差频原理和光学参量效应,从理论上研究并分析THz波与抽运光、闲频光及相位匹配角之间的关系,得到THz波输出的条件和范围,并设计出宽波段连续可调的THz源。以调QNd∶YAG激光器和光学参量振荡器(OPO)作为抽运源,以GaSe和MgO∶LiNbO3晶体作为差频非线性晶体,根据相位匹配理论及光学参量效应,搭建两套THz波产生系统。其中,基于光学参量效应的THz辐射源有效地产生出THz信号。     

石墨烯动态调控太赫兹表面等离激元

太赫兹表面等离激元(SPPs)是利用亚波长周期性结构在太赫兹频段模拟的具有与可见光频段表面等离激元相似的光学特性的电磁波,分为传输型和局域型2种。本文将石墨烯引入太赫兹表面等离激元结构作为动态激励源,通过外加偏压改变石墨烯的电导率,分别实现了对传输型表面等离激元的幅度、频率、相位和对局域表面等离激元共振强度的动态调控。本文方法为表面等离激元的动态调控提供了新的思路,拓宽了表面等离激元在太赫兹频段的应用。     

三元混晶膜的表面声子极化激元

采用改进的无规元素孤立位移模型和波恩-黄近似,运用电磁场的麦克斯韦方程和边界条件,研究极性三元混晶膜中的表面声子极化激元,以AlxGa1-xAs,ZnxCd1-xS和GaxIn1-xN膜为例,获得了其中表面声子极化激元的频率作为波矢和膜厚之函数的数值结果并进行了讨论。结果表明：在三元混晶膜中有四支表面声子极化激元,不同材料的色散曲线分别显示了混晶电磁声子模的“双模”和“单模”特征。     

三元混晶膜的表面声子极化激元

采用改进的无规元素孤立位移模型和波恩-黄近似,运用电磁场的麦克斯韦方程和边界条件,研究极性三元混晶膜中的表面声子极化激元.以AlxGa1-xAs,ZnxCd1-xS 和GaxIn1-xN 膜为例,获得了其中表面声子极化激元的频率作为波矢和膜厚之函数的数值结果并进行了讨论.结果表明:在三元混晶膜中有四支表面声子极化激元,不同材料的色散曲线分别显示了混晶电磁声子模的"双模"和"单模"特征.     

太赫兹人工表面等离激元波的聚焦与放大研究

通过在金属线表面刻蚀周期性凹槽来构造一种新颖的平滑渐变结构,可将传统同轴波导支持的导行电磁波转换为沿金属线表面高效传播的人工表面等离激元波.数值仿真和实验比对结果验证了文中设计结构的宽带和高效转换效能.在此基础上,又构造了一种渐变锥形周期性金属结构,实现了太赫兹频段电磁波的场强聚焦与放大.     

声子极化激元干涉条纹周期的精密测量研究EI北大核心CSCD

二维材料由于其独特的物理化学性质,对纳米光子学及光电子学的应用与发展具有重要研究价值。特别是二维材料中声子与光子耦合激发产生的声子极化激元高度局域在纳米尺度,在片上光子学的光学操控和能量传输等前沿研究领域具有极大的应用潜力。同时,光电器件制造进入纳米节点,器件应用对材料表征精度具有纳米级的要求。然而目前对声子极化激元特性分析的关键之一在于测量其干涉条纹周期,测量结果准确性依赖于仪器设备校准。因此,为实现对声子极化激元干涉条纹的精确测量,文中提出构建铬原子自溯源型光栅与二维材料的复合结构,分析金属光栅结构周期性变化对二维材料的声子极化激元耦合增强与调制作用,以及基于该原理实现对声子极化激元干涉条纹周期的精密测量。研究实现了测量干涉条纹周期为(261.01±0.34)nm的亚纳米级高精度测量,相比具有不确定度为4 nm的传统拟合测量方式具有可溯源的计量精度,同时实现了对测量仪器的亚纳米级精密校准。自溯源光栅天然溯源至基本自然常数的特性使得测量结果具备极好的准确性和可靠性,为二维材料在微纳光子学器件领域的应用提供了保障。     

光纤通信中声子损耗对受激布里渊散射的影响

对光纤通信系统中的受激布里渊散射（SBS）以及声子损耗对SBS的影响进行了研究.理论上,通过数值计算得出增大声子损耗能够提高布里渊阈值的结论;实验上,测量了不同长度的光纤在不同输入光功率下的反向Stokes光及输出光,观察了光纤中加入声子阻塞器对SBS阈值的影响,并测量了阻塞器位于光纤中不同位置时的SBS.研究结果表明,在光纤线路中加入声子阻塞器可以提高SBS阈值,而且在光纤的不同位置的阻塞器对SBS影响有所不同,在被测的60 km光纤上起点30 km处插入阻塞器时的布里渊阈值最高.     

表面等离子激元脉冲整流产生太赫兹电动势

为了深入地研究表面等离子(Surface Plasmon,SP)在传播方向上的太赫兹(THz)电动势,采用了在纳米线结构上对表面等离子激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)的脉冲中电子进行整流的方法,分析了SP感应引力的整流作用,讨论了SPP横向模式在长脉冲和短脉冲情况下的电动势模型。研究结果表明,脉冲整流会产生一个幅值较大的电动势,该电动势可达10 V。由于受纳米等离子的限制,在放大过程几乎是非共振的,考虑强纳米等离子限制和纵向SPP波局域条件下,整流作用在金属表面会产生更高的局域THz电场ER,其最大强度EmR=105~106V/cm。整流后SPP脉冲表现为快速,THz场频率,带宽5~20 THz的特性。SPP脉冲中THz电动势的分析对纳米级飞秒光学场的探测,半导体设备的纳米等离子激元耦合,以及非线性THz光谱研究都具有重要意义。     

太赫兹表面等离激元的研发与应用

表面等离激元的研究推动了超分辨成像、高灵敏传感、片上集成系统等应用的发展。将其应用在太赫兹这一高穿透性、高带宽波段时必然会带来更多迷人的功能。由于太赫兹波段频率较低,表面等离激元具有许多不同于可见光的现象。通过控制金属表面微纳结构或半导体材料与太赫兹波之间的相互作用,人们实现了对太赫兹波表面波的控制。本文综述了太赫兹波段表面等离激元的基本原理和研究历程,介绍了近年来在此波段开展的热门研究成果,如波前整型、片上波导、可调谐器件等,最后总结了这一领域的发展瓶颈并展望了未来主要发展方向,希望能够进一步推动太赫兹波段表面等离激元应用的发展。     

经由受激拉曼绝热过程高效产生太赫兹

论证了在三能级系统中经由受激拉曼绝热过程产生太赫兹,分析了基本模型和泵浦激光与太赫兹产生相干的三能级的理论,并应用在横向激励二氧化碳激光光学泵浦重水分子中,可以产生波长为385μm的太赫兹辐射。产生的太赫兹脉冲功率表现为蒸汽压的函数,并得到了最高太赫兹功率。该技术提供了一种鲁棒性非常好的产生太赫兹的方法。     

经由受激拉曼绝热过程高效产生太赫兹

论证了在三能级系统中经由受激拉曼绝热过程产生太赫兹,分析了基本模型和泵浦激光与太赫兹产生相干的三能级的理论,并应用在横向激励二氧化碳激光光学泵浦重水分子中,可以产生波长为385 μm的太赫兹辐射.产生的太赫兹脉冲功率表现为蒸汽压的函数,并得到了最高太赫兹功率.该技术提供了一种鲁棒性非常好的产生太赫兹的方法.     

天然层状超材料的面内双曲声子极化激元研究进展

在纳米尺度上实现电磁场传播的精确调控,对光学器件的集成化、小型化以及光子芯片的开发均至关重要,也是纳米光子学关注的核心问题。声子极化激元是一种光子与晶格振动耦合产生的具有半光半物质性质的电磁波模式。近期,在天然层状超材料面内发现的双曲声子极化激元,表现出类似射线的传播形式、较大的波矢和高的局域场强,因而在光场调控方面受到极大关注。因此,详细阐述了双曲声子极化激元的物理机制,包括极化激元介电方程、双曲色散关系以及方位角和开口角作用关系,并进一步阐述了双曲声子极化激元的传播特点、聚焦机制、可调性和光学拓扑转变方法,最后总结展望了基于天然层状超材料的面内双曲声子极化激元的特点及发展趋势,为声子极化激元发展及其纳米光子学应用提供帮助。     

基于太赫兹等离激元的半导体表面生化薄膜光谱检测

我们提出了一种利用太赫兹表面等离激元对放置在半导体表面的生化薄膜进行光谱测量的新方法。我们从理论上证明了半导体材料对其上传输的太赫兹表面等离子体波具有较强的表面束缚性,从而提高太赫兹波与半导体表面的生化薄膜之间的相互作用。通过采用太赫兹时域光谱测量系统,我们从实验上分别得到了洋葱表皮的太赫兹表面等离子体波和自由空间太赫兹波透射波谱。实验结果表明,当测量对象是厚度仅为自由空间太赫兹波波长的约百分之一的单层洋葱表皮时,表面等离子体波的透射波谱与自由空间太赫兹波透射波谱相比具有更加多的特征吸收峰。     

单椭圆太赫兹金属线表面等离激元的特性研究

使用有限元方法(FEM)分析了椭圆柱形金属线在0.5THz太赫兹波下的表面等离激元的特性。这种场与圆柱形金属线表面等离激元类似,具有低损耗、低色散的特性。研究结果表明,随着长轴与短轴比值的增加,椭圆柱形金属线的场逐渐分裂开并越来越向椭圆的两个尖端区域集中,损耗也一直在显著减小,故传播距离始终在增大。由于这些特性,椭圆形横截面金属线适用于太赫兹波导、聚焦以及成像等领域。     

基于光学参量效应的太赫兹辐射源及其研究进展

太赫兹频段是电磁波谱中极具科学价值但尚待完全开发的电磁辐射区域,其中,太赫兹辐射源是影响太赫兹频段能否被广泛应用的关键器件,也是太赫兹技术研究领域的前沿问题.基于光参量效应产生太赫兹波的方法具有非线性转换效率高、波长在一定范围内连续可调、易小型化、能够在室温下稳定运转等优点,近年来得到了广泛的关注.文章介绍了光参量效应...     

种子注入式太赫兹波参量产生源研究

种子注入式太赫兹波参量产生源(is TPG)基于非线性晶体中的受激电磁偶子散射,具有线宽窄、相干性好、室温运转、可调谐等优点。本文基于5摩尔百分比氧化镁掺杂的同成分铌酸锂晶体(MgO∶CLN),对连续/脉冲种子注入式太赫兹波参量产生源(is/ips TPG)调谐范围、输出能量、阈值等方面进行了研究。相比于is TPG系统,ips TPG系统调谐范围范围扩大约80。is TPG系统与ips TPG系统3dB带宽分别为1 THz与141 THz,占各自调谐范围的51和39。ips TPG系统相比is TPG系统3dB带宽范围扩大了41。在相近的平均功率密度下,由于ips TPG具有更高的峰值功率密度降低了阈值,产生了更强的THz波输出,最大转换效率为101×10-5。不同形式种子光的注入对太赫兹波参量辐射源有着显著的影响,实验结果表明ips TPG系统的输出特性更为突出在实际应用中具有更高的价值。本文最后对其未来发展进行了分析和展望。     

太赫兹表面等离激元及其应用

金属或半导体与介质分界面上的电子与光子互作用形成的光学表面等离激元(SPP)以及人工超构材料或二维原子晶体材料表面上的电子与太赫兹波或微波互作用形成的人工表面等离激元(SSP)是小型化与集成化太赫兹有源/无源器件和太赫兹超分辨率成像的重要物理基础。随着太赫兹科学技术的发展,太赫兹表面等离激元研究在国际上受到很大关注。本文介绍了传统的光学表面等离激元及其发展,详细阐述了太赫兹波段的人工表面等离激元(SSP)和石墨烯表面等离激元(GSP)的基本原理和发展历程,对表面等离激元在太赫兹波段的新型辐射源、无源器件、超分辨率成像及其他领域的应用进行了较为全面的总结和评述,并对该领域未来进一步发展的方向进行了展望。     

太赫兹参量源研究进展

太赫兹参量源是一种激光驱动的太赫兹辐射源,它具有高相干性、可调谐、室温运转等优点。在简要介绍太赫兹参量源的基本原理后,重点总结了近年来国内外对太赫兹参量源的代表性研究成果,主要包括:1)太赫兹参量源中常用的几种非线性晶体,包括铌酸锂、磷酸钛氧钾、砷酸钛氧钾、磷酸钛氧铷; 2)大单脉冲能量太赫兹参量源,主要产生方法包括使用垂直表面出射结构、使用环形腔、增加非线性晶体损伤阈值等,目前报道的最大单脉冲能量达到17μJ; 3)高平均功率太赫兹参量源,主要产生方法包括使用半导体激光器侧面泵浦激光器、兼顾提高泵浦光脉冲能量和脉冲重复频率等,目前报道的最大平均功率为367μW; 4)太赫兹参量源的理论模拟,主要包括以耦合波方程为基础的,分别针对太赫兹参量产生器、种子注入式太赫兹参量产生器、内腔泵浦与外腔泵浦太赫兹参量振荡器建立的理论模型。