用“飞秒激光泵浦-太赫兹探测”超快光谱研究异向性材料的电磁特性

异向性材料是介电常数与磁导率同时为负值的电磁材料，具有负折射率、突破衍射极限、电磁波隐身等许多奇特的物理现象，在无源器件、智能控制和通讯系统等领域具有不可估量的潜在应用价值，但这种人工结构材料的许多内在物理机理仍然需要探索。本项目拟利用对载流子浓度具有高度灵敏度的飞秒激光泵浦-太赫兹探测(FPTP)超快光谱的独特优势，首次对异向性材料的亚皮秒时间分辨的载流子动力学过程进行研究，探索光生载流子对异向性材料中的单个金属开口谐振环（SRR）中的电流与磁场、环环间电磁场耦合、材料介电常数与磁导率等的影响，并计划研究不同材料微结构，不同泵浦光强与时间延迟，以及不同外加电场、磁场下，异向性材料在太赫兹波段的磁共振、交叉极化、负折射率效应等特性，更深一步探寻材料异向特性的内在机制。这不仅有助于为异向性材料的进一步研究与应用提供新思路和理论依据，还有可能发现有重要意义的新的物理效应。

实验和理论模拟两方面讨论了金属双环和反双环两种亚波长阵列结构在太赫兹波段的双频率响应特性。这两种双环结构都可以实现双频率调制,金属双环结构表现为两个明显的吸收峰，反双环结构则表现出明显的透过峰。这两种结构不仅在物理结构上互补，在太赫兹波段的响应也表现为吸收和透过互补的特性。双频率响应中的低频响应来源于外环电子的影响，高频响应则来源于内环电子的影响。采用FPTP光谱研究双共振劈裂环(double-ring resonator)，国际上首次观察到了在400nm非秒激光泵浦下，硅基底的DRR中产生了极为罕见的泵浦增大效应，这是由泵浦光生载流子引起的双共振劈裂环加强的电极化效应导致的，使用FDTD模拟和竞争机制模型可以很好的解释这一现象。然而，泵浦增大现象在800nm光泵浦下和反双环中并未出现，竞争机制模型仍然可以很好的进行解释，观察到了异向性材料在THz频段的磁共振、交叉极化等现象，结果发表在Applied Physics Letter上。发现了SRR不同开口形状在发生共振时对开口间距的平均值具有相同的透过率频谱分布的均值效应；并且发现了在开口边缘很尖的特殊条件下，SRR开口将出现导通的现象．此结果可为今后SRR开口工艺设计与质量控制提供参考，也可为SRR工作机理的进一步分析研究提供有关的依据.采用FPTP光谱研究二维光子晶体(photonic crystal slabs)，国际上首次观察到了极为罕见的泵浦光生载流子引起的Fano共振增大效应,获得了该类材料在光激载流子下的THz频段特性及其理论解释，结果发表在Optics Express上。项目完成期间，发表了第一作者SCI论文3篇（一篇Applied Physics Letter，一篇Optics Express，一篇Chinese Physics Letters），通讯作者SCI论文6篇。参加了国际SPIE会议，发表EI论文3篇。完成情况良好。