近日,中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院廣州園區(qū)王天武研究團隊關(guān)于太赫茲(THz)載波包絡(luò)移相器的研發(fā)成果【《基于超材料的柔性太赫茲載波包絡(luò)移相器(Flexible THz Carrier-Envelope Phase Shifter Based on Metamaterials)】,發(fā)表在《先進光學(xué)材料》(Advanced Optical Materials)上。
作為太赫茲掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)的核心部件,該載波包絡(luò)移相器由不同的人工微結(jié)構(gòu)陣列組成(圖1)。研究團隊首次利用“超材料”在亞波長厚度和不改變THz電場極化的情況下實現(xiàn)了對寬帶THz載波包絡(luò)相位(CEP)的消色差可控相移,其CEP的相移高達2。與傳統(tǒng)的THz載波包絡(luò)移相器相比,該移相器具有超薄、柔性、低插損、易于安裝和操作等優(yōu)點。
圖1 (a)移相器的單元結(jié)構(gòu)示意圖,(b)整體和局部光學(xué)照片。
超短脈沖的CEP決定了脈沖的瞬時電場強度,在許多非線性物理過程中具有重要作用。例如,近年來,將亞皮秒THz脈沖耦合到納米尖端以調(diào)制隧道結(jié)的偏壓而開發(fā)的THz掃描隧道顯微鏡(THz-STM),在超快時間尺度上實現(xiàn)了原子級分辨率。通過簡單高效的途徑控制THz脈沖的CEP來實現(xiàn)對隧道結(jié)中近場THz時間波形的主動控制,對推進電子的超快納米尺度操縱必不可少。多個THz偏振元件組成的復(fù)雜裝置已用于控制THz脈沖的CEP,但菲涅耳反射損耗,致使其插入損耗很大。此外,天然材料在太赫茲波段具有弱的色散響應(yīng)和小的雙折射系數(shù),因此不易被設(shè)計用于具有寬頻率成分的太赫茲脈沖的CEP控制。與自然材料相比,超材料作為一種由亞波長結(jié)構(gòu)衍生而來的具有特殊光學(xué)特性的人工材料,對電磁波的色散響應(yīng)和雙折射系數(shù)均可人為定制。盡管超材料技術(shù)迅速發(fā)展,但由于近單周期THz脈沖的寬帶特性,它對THz脈沖的CEP控制仍具挑戰(zhàn)性。
基于此,科研團隊提出了基于超材料的柔性THz載波包絡(luò)移相器來控制THz CEP的方法,并對該移相器的性能進行模擬和實驗表征。研究利用特定的金屬分裂環(huán)諧振器的幾何相位和共振相位來控制THz脈沖的CEP,并利用正交定向光柵來提高傳輸效率。當(dāng)入射的THz脈沖依次被載波包絡(luò)移相器中不同的微結(jié)構(gòu)陣列調(diào)制時,通過THz時域光譜系統(tǒng)(THz-TDS)清晰地觀察到THz脈沖的時間波形在不同CEP值下的變化,與模擬結(jié)果吻合(圖2a、b)。實驗驗證了該移相器在廣角入射和大的形變下具有良好的魯棒性(圖2c、d),并且通過適當(dāng)縮放模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)。此外,該設(shè)計方案也可應(yīng)用于其他波段。
圖2.(a、b)模擬和實驗獲得的不同CEP值對應(yīng)的THz時間波形變化,(c、d)廣角入射和樣品彎曲形變對器件性能的影響。
研究工作得到國家自然科學(xué)基金與廣州市等的支持。北京凝聚態(tài)物理研究所、松山湖材料實驗室及中國科學(xué)院大學(xué)參與研究。
審核編輯 :李倩
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