基於光學超表面的太赫茲源

光學超表面是指超材料利用單層結構化的金屬材料（通常厚度為幾十個納米）實現對光波的裁剪和調控，其特徵尺度遠小於工作波長的一種人工材料，可以實現許多自然材料不能夠實現的功能。通過合理設計其特徵單元的大小、形狀以及基底的材料，超材料可以實現許多傳統材料所不具備的特性，例如負折射、隱身材料等。作為近年來研究的熱點，相關科研人員不斷地提出更多的光學超表面設計來實現不可思議的材料性質。這裡我們介紹使用基於金屬單元光學超表面在高能激光束激發下產生寬頻連續的太赫茲信號源。

使用非線性有機晶體光整流效應產生太赫茲信號是常用的產生寬頻太赫茲信號方法。當高強度的激光脈衝在這些非線性晶體(GaAs/GaP/GaSe/LiNbO3/ZnTe)中傳播時由於光束不同頻率信號混合，從而產生光波和頻與差頻現象。差頻振蕩效應會產生低頻電極化場可以輻射太赫茲低頻電磁波。但這些非線性晶體在太赫茲波段都存在很強的吸收峰，使得它們產生的太赫茲頻譜都不連續並且需要精確地相位匹配。使用金屬光學超表面的非線性效應產生太赫茲信號源可以克服以上兩個問題。這裡我們以使用貴金屬開口諧振環(Split Ring Resonators, SRRs)作為基本單元的超表面為例，如圖1所示

圖1 光學超表面產生太赫茲源的原理示意圖

由於在實驗中太赫茲頻譜測量同樣使用非線性晶體作為探測器，所以同樣面臨測量波段高吸收無法測量寬頻帶信號。因此理論分析成為此方法可行性的重要一環。我們提出了基於FDTD的演算法，對麥克斯韋方程(1,2)和等離子氣流體方程(3,4)耦合的複雜多物理問題模擬。

通過優化開口諧振環的尺寸將超表面磁偶極子諧振波長設置在1500納米。使用1500納米高能激光激發該超表面，模擬結果如圖2所示。

圖2(a)圖中藍色曲線為歸一化激勵源的頻譜，紅色曲線為產生的二次非線性頻譜。其中左邊的峰為太赫茲信號，右邊峰為二次諧波。(b)圖是產生的太赫茲信號時域圖。(c)圖為產生太赫茲信號頻譜。藍色為解析分析結果，紅色虛線為模擬結果。

從數值結果可看出：光學超表面產生太赫茲信號的頻譜在太赫茲波段內連續,並且由於超表面幾十納米厚度的單層結構，使其不需要嚴格的相位匹配。另外超表面諧振頻率可以通過改變單元結構尺寸調節，這樣很容易改變它的激發工作頻率，這是非線性晶體不具有的優勢。

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