天津大学光电信息技术教育部重点实验室韩家广教授团队：基于全介质超表面的双太赫兹无衍射光束产生器

第一作者：刘春玉

通讯作者：栗岩锋

通讯单位：天津大学光电信息技术教育部重点实验室太赫兹波研究中心

研究背景

太赫兹(THz,１THz＝10¹²Hz)波通常是指频率在0.1-10 THz范围内的电磁波，是远红外光波和微波之间的一个波段。在电磁波谱中的特殊位置使得太赫兹波具有许多特殊的性质，在光谱、成像、通信、安检、无损检测、物化分析等领域有着广泛的应用价值。利用具有独特光场分布和衍射特性的特殊光束，可以极大地扩展太赫兹光谱与成像技术的应用。贝塞尔光束是一种长距离传播时强度分布保持不变的无衍射光束。突然自聚焦光束是一种在传播过程中保持低强度而在焦点位置附近突然汇聚导致强度上升几个数量级的无衍射光束，这与贝塞尔光束的长聚焦特性正好相反。设计并实现两种具有截然相反聚焦特性的特殊光束在太赫兹成像、检测和生物医学等领域有着重要的应用前景。超材料特别是超表面的快速发展为解决太赫兹波段器件的匮乏提供了很好的解决的方案。超表面是由亚波长单元构成的二维超材料，可以调控入射电磁波的相位、振幅和偏振等特性。全介质超表面能够很好克服金属超表面中的欧姆损耗。因此，本工作提出利用全硅介质超表面实现上述两种太赫兹特殊光束。

内容简介

鉴于太赫兹特殊光束的重要应用，本文利用偏振敏感的全硅介质单元构成的超表面来产生两种不同类型的无衍射太赫兹光束：即分别在x偏振和y偏振入射下产生贝塞尔光束和突然自聚焦光束，从而将两种光束的产生功能集成在一块超表面结构上。基于同样的原理，可以根据需求进行不同的超表面设计来调控传输的太赫兹波，这些基于超表面的特殊光束产生器将有助于太赫兹技术的更广泛应用。

图文简介

一、器件设计和制作

为了实现理想的双太赫兹无衍射光束产生器，所设计的超表面单元结构是偏振敏感的矩形硅柱，这些各向异性的单元可以对入射的x偏振波和y偏振波的相位分别进行调控。器件工作中心频率为1THz。

单元结构：如图1（a）所示，矩形硅柱的边长l的取值范围为30-135μm,柱高h为200μm，周期p为150μm。选择64种不同的硅柱超原子形成8*8的矩阵，以π/4的相位间隔分别实现了x和y偏振入射的太赫兹波0-2π范围内的相位控制。

制作工艺：采用光刻和深反应离子刻蚀的方法制备了一系列基于硅的全介质超表面样品，在厚度为1mm的硅片上进行刻蚀。每个样品由41*41个硅柱组成，可以实现对两种无衍射光束聚焦特性的控制，超表面样品的尺寸为6.15mm*6.15mm。

图1 (a)双太赫兹无衍射光束产生器的矩形硅柱单元示意图，(b)制备的超表面的扫描电子显微镜图像

二. 仿真和测试结果

首先对超表面器件进行了仿真设计，结果如图2所示。当束腰直径为3mm，频率为1THz的x偏振太赫兹波进行入射时，产生的贝塞尔光束的仿真结果如图2（a-b）所示，光束的无衍射传输距离接近理论值6mm，而光束的FWHM为447.7μm，与理论值429.6μm接近。这种情况下，利用到的介质单元数为21*21。然后将入射太赫兹波的束腰直径改为5mm，仿真结果如图2（c-d）所示，光束的无衍射距离接近理论值10mm，这种情况下利用到的介质单元数为35*35。根据理论推导，贝塞尔光束的无衍射传输距离与入射波的束腰直径成正相关，因此将超表面的单元数设计得足够多可以通过入射波的束腰大小实现对贝塞尔光束无衍射距离的调控。再将入射太赫兹波的偏振态改为y偏振，产生的突然自聚焦光束的仿真结果如图2（e-f）所示，设计的光束焦点位置为2.5mm，模拟结果与理论结果接近。

图2 双太赫兹无衍射光束产生器的仿真结果。(a)和(b)，x偏振入射下无衍射传输距离为6mm的贝塞尔光束在x-z(y= 0)和x-y(z=4mm)截面上的归一化强度分布。(c)和(d)，x偏振入射下无衍射传输距离为10mm的贝塞尔光束在x-z(y=0)和x-y(z= 7mm)截面上的归一化强度分布。(e)和(f)，y偏振入射下产生的突然自聚焦光束在x-z(y=0)和x-y截面(z=2.5mm)的归一化强度分布

为了表征制作的双太赫兹无衍射光束产生器，采用近场扫描太赫兹显微成像系统进行了器件测试，如图3所示。该系统利用一个1550nm飞秒光纤激光器作为光源并分成两束。一束光穿过一段光纤并反向耦合到自由空间后聚焦在一个基于低温生长砷化镓的探针上。这部分光路用于检测太赫兹信号。利用倍频模块将光倍频后来激发砷化镓中的载流子。另一束光通过光纤延迟线入射到在InGaAs/InAlAs衬底上制作的光导天线上。这部分光路用于产生太赫兹辐射。超表面放置在一个三维平移样品架上，太赫兹波入射到超表面的衬底一侧，在超表面的另一侧放置二维平移探测器，用于逐点扫描透射太赫兹波的电场。入射太赫兹波为线偏振，通过将超表面样品旋转90°可切换入射波的x和y偏振态。采集到的信号经放大后输入计算机处理。

图3 实验装置示意图。3-D TSH，三维平移样品架，2-D TD，二维平移探测器

图4(a-b)给出了入射太赫兹波为x偏振时产生的贝塞尔光束的强度分布。可以看出，实验产生的贝塞尔光束的无衍射距离约为6mm，FWHM为414.5mm，与理论预测和仿真结果接近。当入射波的偏振态变为y偏振时，超表面产生突然自聚焦光束，其强度分布如图4(c-d)所示。可以看出，突然自聚焦光束的焦点位置与理论预测和仿真结果接近。突然自聚焦光束的x-y截面强度分布同样与图2(d)很好地吻合。

图4双太赫兹无衍射光束产生器的实验结果。(a)和(b)，在x偏振入射下产生的无衍射距离为6mm的贝塞尔光束在x-z(y= 0)和x-y(z=4mm)截面的归一化强度分布。(c)和(d)，在y偏振入射下产生的突然自聚焦光束在x-z(y=0)和x-y(z=2.5mm)截面的归一化强度分布

此外，对设计的双太赫兹无衍射光束产生器的效率也进行了理论分析。若将通过硅衬底的太赫兹波的强度作为参考强度，贝塞尔光束产生器的效率为93.3%，突然自聚焦光束产生器的效率为90.4%。

总结

提出并实验验证了能产生两种不同类型太赫兹无衍射光束的全硅介质超表面，通过改变入射波的偏振状态，可以在两束聚焦特性截然不同的太赫兹无衍射光束之间切换，即：对于x偏振和y偏振入射波，将分别产生贝塞尔光束和突然自聚焦光束。对制作的双太赫兹无衍射光束产生器进行了表征，结果与仿真结果吻合很好。这种多功能超表面器件与目前的标准制造技术兼容，可以适用于不同的应用场景。

作者介绍

韩家广，2006年获中国科学院上海应用物理研究所博士，曾先后在美国俄克拉荷马州立大学、新加坡国立大学、日本大阪大学从事研究工作。开展了太赫兹新型功能器件的基础研究，在基于人工电磁材料的太赫兹调控研究方面取得了一系列创新性研究成果。相关研究成果荣获教育部自然科学一等奖、中国侨届创新团队奖、天津市青年科技奖及2015年中国光学重要成果奖等，入选教育部创新团队、天津市创新人才推进计划、天津市131创新团队、天津市131创新人才培养工程第一层次人才、教育部新世纪优秀人才计划、新加坡李光耀Fellow。在Nature Physics、Nature Communications、 Physical Review Letters、 Science Advances、Light：Science and Applications、 Advanced Materials等期刊发表多篇研究论文。

课题组简介

天津大学太赫兹波研究中心成立于2006年，自成立以来，始终瞄准国际前沿，基础研究和应用研究并进，在太赫兹超材料、太赫兹表面等离激元、太赫兹雷达、太赫兹时域光谱技术系统等领域积累了雄厚的研究经验和国际领先的成果。

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