太赫兹声子极化激元与微结构作用的高时间分辨定量成像研究

This research describes phase contrast imaging detection system, which has high sensitivity and signal-to-nosie ratio (SNR) comparing to other existing detection methods in terms of phonon polaritons detection, and it relizes high spatial and temporal resolution. Besides, we can quantitatively probe the information of imaging plane. The time-resolved detection system can quantitatively detect the propagation process of phonon polaritons in ferroelectric crystals. This kind of detection method can guide us to effectively design small, integrated, multifunctional optoelectronic devices, and to help people to better reveal the process of propagation of electromagnetic wave of terahertz frequency band and the interaction mechanism by terahertz waves and microstructures. We will use femtosecond processing technology to make several subwavelength functional structures for phonon polariton wavelength range, and we study the manipulation behaviour of phonon polariton through functional structure. Using magnetron sputtering and etching method, we can plate several kinds of metamaterials microstructure on the lithium niobate crystal plane. We use the theory of finite difference time domain (FDTD) simulation method and phase contrast imaging system to calculate, analyze and detect dynamic process of phonon polaritons and metamaterials microstructure, visually revealing space-time characteristics of terahertz phonon polaritons.

本项目搭建一套相位对比成像探测系统，该系统相比于其它已有的几种探测手段而言，对声子极化激元的探测具有很高的灵敏度和信噪比，具有较高的空间和时间分辨率，能够定量探测成像面的信息。该探测系统可时间分辨地定量化探测声子极化激元在铁电晶体中的传播过程。该种探测方法能够指导我们有效地设计小型的，集成化的，多功能的光电器件，帮助人们更好的揭示太赫兹频段的电磁波传播的过程以及太赫兹波与微结构相互作用的机理。利用飞秒加工技术制备了几种针对声子极化激元波长范围的亚波长功能结构，探索功能结构对声子极化激元的操控行为。利用光刻和磁控溅射等手段，在铌酸锂晶体薄片上镀上超材料微结构，利用时域有限差分理论模拟方法以及相位对比成像系统对声子极化激元与超材料微结构中的动态过程进行了计算、探测和分析，直观地揭示太赫兹声子极化激元的时间空间特性。

本项目搭建了一套相位对比成像系统，实现了太赫兹声子极化激元在铌酸锂薄片晶体上的激发、传输和时间分辨探测，具有较高信噪比，能够定量化探测声子极化激元5在晶体中的传播过程。探测系统具备0.2皮秒的时间分辨率和5微米的空间分辨率。利用飞秒加工技术制备了太赫兹波长范围的亚波长功能结构，细致研究了太赫兹声子极化激元与矩形斜波导，矩形微腔结构，相位梯度天线阵列等结构作用的动态过程，可视化并定量分析了几种微结构对太赫兹声子极化激元传输调控的时间分辨作用过程。.我们在50微米厚的铌酸锂晶片上刻蚀了倾斜空气槽，形成了倾斜角度15度的矩形波导。在太赫兹波由平板波导向矩形波导传输的模式转化过程中，发现了存在反常的波前扭转振荡现象，即波前到达平衡位置后并未形成稳定的传输，而是围绕平衡位置做阻尼振荡。该现象需要数个波长的额外传输距离，数十皮秒的额外转换时间来达到系统稳定传输，并通过数值模拟方法探究了随着波导的宽度、倾角等因素的影响情况。在太赫兹矩形波导中我们设计并制备了百微米尺寸的矩形微腔，对太赫兹波的在腔中的传播特性进行了实验研究，将两个谐振腔集成在一个波导中观察到了太赫兹波传输的耦合现象。在透射窗口处观测到腔-腔结构中两个腔的π/2相位差，表明能量在两腔之间振荡，且存在能量局域，在透射窗口内的实验测得峰值为0.37 THz，与理论模拟数值吻合准确。此外，基于铌酸锂片上平台设计了一种表面太赫兹波传感器，运用微棒阵列超表面结构实现对乳糖吸收特征峰0.529 THz的吸收增强，从而为微小体积化学物质片上探测提供了一种高灵敏度检测方法。将梯度天线阵列沉积到铌酸锂亚波长矩形波导的表面上，实验上实现了片上宽带太赫兹波的非对称传输，分析了超表面的不同自由度对非对称传输的影响，优化了非对称传播的工作带宽和正、反向透射比。研究成果能够直观地揭示太赫兹波与微结构作用的时间空间特性，为高集成度太赫兹波传输的模式耦合与调控转换器件的设计，发挥重要作用。