二维电子气等离激元与太赫兹波强耦合作用的研究

The lack of room-temperature, compact and high-efficiency terahertz sources has been one of the main hurdles for the pavement of terahertz science and technology. This project aims to tackle problems found previously in our high-efficiency terahertz plasmon-polariton emitters concerning the multiple emission modes, large spectral linewidth, low emission power and need of cryogenic temperature. By using strongly coupled plasmon cavity in two-dimensional electron gas (2DEG) and terahertz cavity with high quality factor, a device platform will be designed, built and used to first reveal the damping mechanism of 2DEG plasmons in such surface-emitting terahertz sources. Furthermore, the boundary conditions of the plasmon cavities and the ultra-strong coupling between the specific plasmon mode and the high-Q terahertz cavity mode will be manipulated to discover new methods for the enhancement of the effective lifetime of plasmon-polariton modes. The findings from this mission are expected to the strong basis for further investigation on the efficient electrical excitation of plasmon-polariton states far from equilibrium, the possible stimulated emission of terahertz plasmon polaritons and the development of realistic plasmon-polariton terahertz sources.

室温固态微型高效太赫兹光源的匮乏是制约太赫兹科技发展的主要瓶颈。本项目针对前期在实现高效率二维电子气等离极化激元太赫兹光源器件中存在的多模发射、发射宽谱线、低输出功率和需低温工作等问题，通过构筑高品质因子太赫兹谐振腔与栅控二维电子气等离激元的强耦合器件结构，从面发射光源器件中二维电子气等离激元的损耗机制研究出发，首先揭示决定耦合强度的电学、结构参数及其与太赫兹波发射效率之间的关系，并进一步探索通过等离激元边界条件和特定模式间的超强耦合条件实现等离极化激元有效寿命调控的机理和方法，为继续研究远离平衡态的等离极化激元的电学激发和太赫兹波受激辐射提供理论和实验数据支撑，推进等离极化激元高效光源的实用化进程。

本项目面向太赫兹通信、雷达和波谱分析等对高效固态太赫兹光源、调制器和探测器等核心器件的需求，围绕栅控二维电子气等离激元与太赫兹波相互作用的调控问题，研究了高品质因子太赫兹谐振腔、太赫兹天线调控太赫兹波电场及其与栅控二维电子气等离激元的耦合器件结构。本项目揭示了国际上长期以来在二维电子气等离激元太赫兹器件研究中存在的问题，提出并初步验证了解决方案，部分研究结果产生了太赫兹调制器和探测器的新设计方案。主要结果如下：.掌握了太赫兹频段分布式布拉格反射镜(DBR mirror)和谐振腔的设计方法，开发了高反射率DBR反射镜的微加工工艺和DBR谐振腔的集成工艺，研制成固定谐振腔器件和可调谐振装置。在7K低温下实现了Rabi频率大于100GHz的强耦合，通过物理模型的仿真计算和栅控反射及透射实验，实现了二维电子气等离激元模式的调控，揭示了等离激元模式与太赫兹波谐振腔模式的耦合特性，实验证实了与二维电子气等离激元热平衡的热电子黑体辐射是二维电子气等离激元太赫兹辐射主要来源，指出了国际上相关研究难以实现电学激发等离激元的关键所在。.本项目进一步针对等离激元品质因子低和电学激发等离激元效率低的问题，探索了单个偶极天线耦合二维电子气对太赫兹波相位的调控机制、AlGaN/GaN二维电子气与石墨烯电子(空穴)气的耦合及互调特性、光栅栅极耦合AlGaN/GaN二维电子气在高功率毫米波(W波段)激励下产生局域混频探测和产生周期性方向交替、局域的内建电场机制，为高效激发二维电子气等离激元提供了新思路。.本项目为继续研究远离平衡态的等离极化激元的电学激发和太赫兹波受激辐射提供实验支撑，提出了等离激元太赫兹发射源、调制器和探测器的新方案。本项目产生的窄带太赫兹滤波器、高品质因子可调太赫兹谐振腔在太赫兹自由电子激光器中得到了应用。