構(gòu)建太赫茲聲子極化激元的理論、實驗和應(yīng)用研究的基本體系

上世紀(jì)50年代初，黃昆先生提出了著名的黃昆方程，揭示了橫光學(xué)聲子與光子相互耦合的物理本質(zhì)，預(yù)言了聲子極化激元這種全新元激發(fā)的存在。1965年，Hopfield等人在GaP晶體中首次探測到了這種元激發(fā)，證明了黃昆方程的正確性。實際上，聲子極化激元作為一種元激發(fā)，不僅僅依賴于晶格中的熱聲子存在。當(dāng)有外驅(qū)動力（如飛秒激光等）作用于晶格時，可以產(chǎn)生太赫茲頻段的受激聲子極化激元。這為聲子極化激元的研究和利用、材料性質(zhì)調(diào)控、太赫茲物理與技術(shù)、瞬態(tài)亞波長光學(xué)與光子學(xué)等研究提供了全新的思路。

多年來，聲子極化激元在凝聚態(tài)物理、光學(xué)和材料科學(xué)中一直受到廣泛關(guān)注。南開大學(xué)許京軍、吳強教授團(tuán)隊經(jīng)過十余年的努力，構(gòu)建了太赫茲聲子極化激元的理論、實驗和應(yīng)用研究的基本體系。

他們以黃昆方程為基礎(chǔ)，考慮聲子極化激元在非線性相互作用過程中的關(guān)鍵性作用，發(fā)展出了一組非線性黃昆方程：

他們新增了外場的受激驅(qū)動力和非線性回復(fù)力，使得新方程可以應(yīng)用于受激的強場聲子極化激元體系，并研究其非線性響應(yīng)，預(yù)測了一系列全新的物理機(jī)制和效應(yīng)。其中頗具代表性的一個預(yù)測是聲子極化激元可以憑借其離域性，極大地增強材料在太赫茲頻段的非線性極化率，實驗驗證了這一預(yù)測。聲子極化激元體系中，太赫茲波段的非線性系數(shù)高于微波和可見光波幾個數(shù)量級；并且能夠借助聲子極化激元的材料，其非線性系數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常見的其它材料。這一研究成果將線性的黃昆方程推廣至非線性領(lǐng)域，并利用聲子極化激元實現(xiàn)了太赫茲波的巨非線性效應(yīng)。對太赫茲波非線性領(lǐng)域的發(fā)展、離子晶體材料性質(zhì)的調(diào)控以及量子態(tài)的相干調(diào)控都具有重要意義，相關(guān)成果發(fā)表在Nature Communications上，共同第一作者為博士生盧瑤和張琦，通訊作者為吳強、陳志剛和許京軍教授。

借助于太赫茲聲子極化激元，該研究團(tuán)隊在鈮酸鋰晶片上構(gòu)建了太赫茲波的片上集成系統(tǒng)，使太赫茲波的產(chǎn)生、傳輸、調(diào)控、探測等過程以及太赫茲波與物質(zhì)或微結(jié)構(gòu)的相互作用過程，在同一個鈮酸鋰芯片上完成，并實現(xiàn)了一定的功能性，促進(jìn)了太赫茲集成技術(shù)的應(yīng)用。

針對發(fā)展太赫茲片上集成平臺這一目標(biāo)，南開大學(xué)團(tuán)隊開發(fā)了一系列的理論、實驗和應(yīng)用技術(shù)。

圖1 一階色散消除后，鈮酸鋰亞波長波導(dǎo)中太赫茲脈沖的“凍結(jié)相位”傳輸實驗圖

在基礎(chǔ)理論方面，除了非線性黃昆方程，南開大學(xué)團(tuán)隊還完成了各向異性亞波長平板波導(dǎo)（與麻省理工學(xué)院合作）、亞波長矩形波導(dǎo)中電磁波傳輸?shù)姆匠?、?shù)值模擬、實驗驗證等工作，并指出了Marcatili近似方法在此條件下已經(jīng)不再適用，取而代之的是有效折射率近似方法；展示了亞波長平板波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)之間的耦合過程，指出了亞波長波導(dǎo)耦合過程中存在一個反直覺的模式轉(zhuǎn)換過程。通過設(shè)計初始相位鎖定的同步移動太赫茲源，借助亞波長波導(dǎo)超強的結(jié)構(gòu)色散，實現(xiàn)了一階色散的抵消。這一結(jié)果成為繼二階色散消除產(chǎn)生時間孤子后，首次對于光學(xué)脈沖傳輸相位進(jìn)行鎖定的“類孤子傳輸”態(tài)，如圖1所示。研究結(jié)果發(fā)表在Laser & Photonics Reviews上（第一作者為博士生盧瑤，通訊作者為吳強、陳志剛和許京軍教授），這一結(jié)果為純相位太赫茲通信、太赫茲非線性混頻以及高能短脈沖太赫茲光源中的相位調(diào)制提供了參考和借鑒。

圖2 鈮酸鋰片上集成高靈敏太赫茲傳感器與時域光譜儀示意圖

在應(yīng)用領(lǐng)域，許京軍、吳強教授團(tuán)隊開發(fā)了多項技術(shù)。利用超表面/鈮酸鋰亞波長波導(dǎo)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，設(shè)計并制備了檢測微量固體粉末的太赫茲片上傳感器。復(fù)合結(jié)構(gòu)通過表面波和能量局域，增強了光與物質(zhì)的相互作用；通過水平入射方式，將光與物質(zhì)的作用距離從微米提升至毫米；通過二維光譜，進(jìn)一步提升了信號的分辨率；實現(xiàn)了片上集成的高靈敏太赫茲傳感器。同時，該設(shè)計也可用于片上集成太赫茲時域光譜，將傳統(tǒng)TDS光譜儀中幾十厘米的光譜采集室（太赫茲產(chǎn)生、與物質(zhì)相互作用、探測的空間）替換為幾毫米的鈮酸鋰晶片，如圖2所示（top articles in the Photonics and Optoelectronics section of Applied Physics Letters.）

圖3 太赫茲單向傳輸結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)過近十幾年的努力，南開大學(xué)團(tuán)隊對太赫茲聲子極化激元有了比較深入的認(rèn)識，形成了比較系統(tǒng)的研究體系，取得了一些重要的研究成果。既有以非線性黃昆方程為代表的基礎(chǔ)理論研究，也有鈮酸鋰材料的制備與調(diào)控、時空超分辨定量成像探測等實驗工作，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了片上集成高靈敏太赫茲傳感器、片上集成太赫茲時域光譜儀等應(yīng)用方向。許京軍、吳強教授團(tuán)隊將繼續(xù)推動太赫茲聲子極化激元領(lǐng)域的發(fā)展，促進(jìn)聲子極化激元、材料性質(zhì)調(diào)控、太赫茲光學(xué)、亞波長光學(xué)與光子學(xué)等領(lǐng)域發(fā)展和交叉融合。

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