纳米超结构非线性太赫兹辐射与同步调控器件研究

Integrated functional devices for terahertz generation and manipulation are frontiers in the terahertz research and of significant importance in advancing terahertz science and technology. Currently, integrated devices for terahertz generation and manipulation are implemented separately due to technical difficulties. As a cutting-edge fundamental applied research, nanoscale meta-geometries (NMGs) are primarily used to control the visible and infrared light waves. Owning to the scale barrier, it is not applicable to directly apply NMGs in terahertz generation and manipulation. Nonlinear optical effect, however, delivers a unique connection between these two areas, thus promising breakthroughs in the terahertz research. In this proposal, we aim to simultaneously generate and modulate the terahertz radiation via nonlinear effect in NMGs made from either metallic or dielectric media. By fully taking advantages of the designable properties of NMGs, we will develop a new generation of functional terahertz devices, including spectral, polarization and wavefront manipulation devices, through theoretical modeling, numerical simulation and design, nanoelectronic fabrication, system development, and experimental characterization. By systematically analyzing new phenomena and new effects observed in the nonlinear process in NGMs, we will achieve in-depth understanding of the physical mechanisms, develop corresponding theory, achieve systematic new methods and key technologies in the design, fabrication and experimental characterization.

集成化太赫兹辐射器件和调控器件是太赫兹领域最重要的研究前沿之一，对推动太赫兹科学与技术的快速发展和实际应用有着重大前景。目前，由于受到方法和技术的限制，辐射和调控器件的研究通常分立进行。纳米超结构是光学领域最前沿的应用基础研究，主要用于调控可见和红外光波。由于尺度原因，通常无法直接用于太赫兹波辐射和调控。而光学频率非线性效应为建立两者之间的联系、突破当前的研究困境提供了一种有效途径。本项目旨在将太赫兹波辐射与调控过程通过纳米超结构的非线性效应实现有机结合，利用金属或全介质纳米超结构的可设计性，通过理论模型建立、仿真设计、样品制备、系统搭建和实验表征等手段，研究并实现新一代太赫兹功能器件，包括频谱、偏振和空间波前三大类辐射调控器件。通过系统分析太赫兹非线性辐射调控过程中的系列新现象和新效应，揭示其内在的物理机制和规律，建立相应的理论体系，获取从设计、制备、到实验表征的系列新方法和关键技术。

太赫兹技术的发展依赖于太赫兹源、调制器以及探测器的发展。通常，这三类器件在太赫兹系统中独立工作，虽然具有很大的组合灵活性，却降低了系统的集成度。实现不同类别功能的集成是太赫兹系统和应用进一步小型化的有效途径。非线性超表面的出现为实现这一目的提供了一条有效途径，利用高自由度的微结构谐振设计性，可以实现对太赫兹产生和调控这两类功能的有机集成，且谐振结构工作在红外波段，具备小于工作波长多个数量级的控制精度。本项目围绕这一国际前沿课题，对基于纳米超结构的太赫兹产生和同步调控器件开展了系统研究，内容包括纳米超结构中的非线性相互作用原理、非线性仿真方法、超结构制备工艺和太赫兹辐射表征技术等，通过构建上述理论和实验平台，取得了如下重要成果：1) 揭示了ITO纳米薄膜中基于介电常数近零效应的太赫兹非线性辐射增强效应，并利用结构化ITO薄膜设计，实现了多种宽带太赫兹特殊光束的直接产生；2) 提出了一种基于等离子谐振场增强效应和介电常数近零场增强效应的复合型太赫兹增强辐射新方法，效率较单独效应工作时得到了数量级式的提升，同时提出了一种非线性差频几何相位设计方法，实现了对宽带太赫兹辐射偏振和波前的调控；3) 提出了一种耦合控制的非线性太赫兹辐射和调控新方法，实现了对宽带太赫兹辐射振幅以及手性辐射行为的大范围调控，并进一步结合非线性几何相位和空间复用方法，实现了手性选择的宽带太赫兹传输调控。本项目研究的科学意义在于：发展了非线性太赫兹超表面的基础理论，提出了对非线性太赫兹产生振幅、相位、偏振和波前进行同步调控的新方法，实现了多种新型、深度小型化的非线性太赫兹功能器件，促进了非线性太赫兹超表面方向的发展。项目执行期间，在《Nature Communications》、《Advanced Materials》、《Light Science & Applications》、《Nano Letters》等刊物发表学术论文69篇，相关工作研究收到了国内外同行的关注，多次在国内外会议上做邀请报告，团队获评教育部自然科学一等奖。