金属离子注入构建太赫兹波导材料的非线性光学效应研究

金属离子注入光学材料可形成新型金属微结构非线性光学功能器件，以往这方面的研究大多涉及其在可见光或近红外波段的光学特性。我们基于前期发现的金属离子注入载玻片玻璃中存在太赫兹透射增强效应，提出由金属离子注入技术构建太赫兹波导材料，研究其非线性光学效应及产生机制，具体包括：1）建立理论模型，分析金属离子注入条件对该波导材料的折射率调制作用和太赫兹波传输特性的影响；2）基于理论分析，利用金属离子注入技术优化制备太赫兹波导材料；3）利用太赫兹时域光谱实验系统，研究所制备波导材料的太赫兹波透射特性；4）建立太赫兹泵浦-探针装置和Z扫描装置，研究所制备波导材料的太赫兹非线性光学响应特性。本课题研究可为制备高度集成的新型非线性太赫兹波导功能器件提供理论依据和实验支持。

基于金属微结构尺寸的太赫兹透射增强效应，本项目研究了金属纳米颗粒材料、纳米金属线和亚波长金属光栅的太赫兹非线性光学效应及其产生机制，以期望形成新型金属微结构太赫兹非线性光学功能器件。本项目研究内容具体包括：1）建立理论模型，分析了金属离子注入条件、金属尺寸和结构参数对相应材料中太赫兹波传输特性的影响。基于Sommerfeld柱形金属线波导表面波传输理论模型，分析表明锥形纳米金属线波导表面电场在传输距离不很长时，可以在末端将太赫兹波聚焦到纳米量级，而且表面上的电场可增强达1500倍。2）利用金属离子注入技术、PCB工艺等手段优化制备了太赫兹金属微结构材料，并利用XRD、XPS和TEM测量其表面特性。结果表明Cr、Ti、Zn等金属离子注入到基质后，是以金属原子形式纳米颗粒尺寸存在。其中，高剂量Zn离子注入样品经氧氛围退火后，可得到ZnO纳米颗粒样品，并初步得出该颗粒在氧气推动下向内部扩散的机理。3）基于太赫兹时域光谱系统，采用时域传输模型研究了一套精确给出样品的光学系数提取算法，并研究了所制备材料的太赫兹波透射特性。结果表明Cr、Ti、Zn等金属离子注入样品在特定频率处存在太赫兹局域增强效应，分析原因是该材料形成强无序随机结构，太赫兹波在其中传输时发生相干性多重散射引起的。4）搭建了太赫兹泵浦-探针装置和Z扫描装置，基于Labview建立了一套自动采集数据软件，可直接给出样品的非线性折射率和非线性吸收系数，并研究了所制样品的太赫兹非线性光学响应特性。结果表明Ti离子注入样品具有自聚焦效应，而Zn注入样品具有自散焦效应并具有双光子吸收特性，其非线性特性都存在一个最佳注入剂量。本课题研究可为制备高度集成的新型非线性太赫兹波导、超聚焦和开关等功能器件提供理论依据和实验支持。