太赫兹波段动态亚波长光子器件的原理与设计

利用金属材料制作的微结构可以有效地调控复合材料的电磁特性，实现对电磁波谱的裁剪和波前控制。在太赫兹波段，一些半导体材料的特性在外激励（光，温度，磁场，电场等）的作用下可以明显地改变，甚至发生介质-金属的相变。本项目将金属和此类半导体相结合，制作外场可控的亚波长光子器件，利用太赫兹时域光谱和成像技术研究外场激励下这类器件的电磁响应特性，利用飞秒泵浦太赫兹成像探测技术探测半导体微结构的光生载流子的时间空间分布特性，探索微结构的大小，形状，分布以及周边介质介电分布影响器件电磁特性的基本规律，揭示外场控制下微结构器件特性调控的物理机理，为优化设计动态可控的太赫兹波段亚波长光子器件奠定基础。本项目的顺利完成将使利用亚波长量级的光子器件对电磁波进行动态调控成为可能，不仅可以用在高密度存储、高分辨显微，还可以应用在军事动态高分辨成像等方面。

由于太赫兹波段的长波特性，传统的光学器件尺寸大，重量高，不利于太赫兹系统的集成和便携。金属亚波长天线结构可以有效地同电磁波发生相互作用，在亚波长尺度内对电磁波的振幅、相位以及偏振态进行调控，实现对电磁波谱的裁剪和波前调控。在太赫兹波段，一些半导体材料的光学性质可以在外加激励的作用下明显改变，从而改变其与太赫兹波的相互作用，实现外场可控的太赫兹波段亚波长光子器件。.主要研究内容有：（1）半导体材料的选择。探索了硅、砷化镓以及砷化铟等半导体晶体，最终选择高阻硅作为器件的制备材料。（2）在VO2薄膜上制备了金属微结构，利用热效应实现太赫兹聚焦作用的开关。（3）在金属膜上制作了微结构，实现太赫兹表面等离子体波的偏振选择性聚焦。（4）利用空间光调制器调制泵浦光，在硅片表面产生光生载流子的动态分布，实现对太赫兹波的振幅、相位以及偏振的动态调控。（5）发展太赫兹超表面器件的表征手段，探索器件的应用。.主要成果有：.（1）太赫兹超表面器件的表征系统。自主研发了太赫兹焦平面成像系统，同时探测太赫兹波前的振幅、相位、频率以及偏振信息，为器件的表征提供了有力工具。自主研发了太赫兹表面等离子体波成像系统，直接表征太赫兹表面等离子体波的振幅和相位，该系统可以实现近18微米的近场分辨率。.（2）金属亚波长结构对太赫兹波谱的调制作用。研究了金属H型狭缝对太赫兹透射谱的调控作用，发现了狭缝的周期等于表面等离子体波的波长的整数倍时共振透过会增强，但是金属狭缝的对称性可以控制金属狭缝的共振模式，可以通过结构的对称性调控某些共振模式，为调节太赫兹光谱提供了一个新参数。.（3）太赫兹超表面平板光学器件。利用天线共振调制透过光波的振幅、相位、偏振等信息，实现超薄的光学器件。在太赫兹领域实现了厚度为工作波长1/4000的光学透镜、全息元件，衍射光学元件，偏振片以及偏振分束元件等器件。.（4）太赫兹空间调制技术。利用空间光调制器将太赫兹全息图案投影到硅片表面，硅表面的光生载流子形成太赫兹强度调制全息图，衍射太赫兹波，实现任意偏振、振幅和相位的太赫兹光场输出。.本项目发表SCI论文37篇，工作得到了Science，Nature Photonics，Nature Communications等期刊的引用，为推动太赫兹系统的小型化和集成化提供了基础。表征系统的工作荣获2014年国家产学研合作创新成果奖。