基于超材料的柔性太赫茲載波包絡(luò)移相器

近日，中國(guó)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(tuán)隊(duì)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(jìn)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(tuán)隊(duì)首次利用“超材料”在亞波長(zhǎng)厚度和不改變THz電場(chǎng)極化的情況下實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(dá)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(diǎn)。

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(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度，在許多非線性物理過(guò)程中具有重要作用。例如，近年來(lái)，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(kāi)發(fā)的THz掃描隧道顯微鏡（THz-STM），在超快時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)了原子級(jí)分辨率。通過(guò)簡(jiǎn)單高效的途徑控制THz脈沖的CEP來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道結(jié)中近場(chǎng)THz時(shí)間波形的主動(dòng)控制，對(duì)推進(jìn)電子的超快納米尺度操縱必不可少。多個(gè)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(jì)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(zhǎng)結(jié)構(gòu)衍生而來(lái)的具有特殊光學(xué)特性的人工材料，對(duì)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(duì)THz脈沖的CEP控制仍具挑戰(zhàn)性。

基于此，科研團(tuán)隊(duì)提出了基于超材料的柔性THz載波包絡(luò)移相器來(lái)控制THz CEP的方法，并對(duì)該移相器的性能進(jìn)行模擬和實(shí)驗(yàn)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(lái)控制THz脈沖的CEP，并利用正交定向光柵來(lái)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(shí)，通過(guò)THz時(shí)域光譜系統(tǒng)（THz-TDS）清晰地觀察到THz脈沖的時(shí)間波形在不同CEP值下的變化，與模擬結(jié)果吻合（圖2a、b）。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(guò)適當(dāng)縮放模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)。此外，該設(shè)計(jì)方案也可應(yīng)用于其他波段。

圖2.（a、b）模擬和實(shí)驗(yàn)獲得的不同CEP值對(duì)應(yīng)的THz時(shí)間波形變化，（c、d）廣角入射和樣品彎曲形變對(duì)器件性能的影響。

研究工作得到國(guó)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(shí)驗(yàn)室及中國(guó)科學(xué)院大學(xué)參與研究。

審核編輯 ：李倩