利用超导人工电磁微结构的非线性产生可调谐窄带太赫兹信号的研究

Harmonic wave generation in metamaterial induced by electromagnetic wave is always attractive and difficult topic in physics, materials. As the development of intense terahertz (THz) time domain spectroscopy (TDS), it's becoming possible to study the ultrafast and nonlinear phenomena at THz region. The project is firstly to setup intense wideband and narrowband THz TDS which is advanced in the world. Then using the Harmonic generation principle in optical region for reference, superconducting metamaterial is introduced to THz region. Based on the nonlinear effects of superconducting thin film induced by intense THz filed (>100 kV/cm), we will study on the nonlinear response of superconducting material, and find suitable superconducting thin film having higher nonlinear coefficient, with which we will design and simulate superconducting metamaterial to get higher nonlinear efficiency of harmonics generation. Finally, we will using the superconducting metamaterial to get central frequency at 1-3 THz with tunable range up to to hundred GHz narrowband THz time source and study the physical process. This frequency range is hard to achieve by using electronic technology and quantum cascade laser. The project is to master the key technology of tunable narrowband THz time source, and extend the application of superconducting metamaterial at THz region by the theoretical and experimental study of above nonlinear superconducting metamaterial.

电磁波在人工微结构中诱导谐波现象的研究一直是物理、材料界关心的热点、难点问题。近几年强太赫兹时域光谱技术的发展，使得对太赫兹波段超快和非线性现象的研究成为可能。本项目着力在国内建立世界水平的宽带及窄带强太赫兹时域光谱系统。借鉴光学波段的非线性谐波效应，在THz波段引入超导metamaterial，利用超导薄膜在强THz场（>100kV/cm）激励下的非线性效应，研究超导材料的非线性调谐特性，寻求非线性系数较高的超导材料，并利用其设计非线性效率较高的超导metamaterial结构，研究其产生中心频率在1-3 THz，调谐范围达上百GHz的窄带THz时域信号的机制和物理过程，该频率范围是电子学方法和量子级联激光技术较难达到的区域。本项目旨在通过对超导非线性metamaterial深入的理论和实验研究，掌握可调谐窄带THz信号产生的关键技术，扩展超导metamaterial在THz波段的应用。

太赫兹（Terahertz，THz，1THz=1012Hz）波通常指频率在0.1-10THz（波长为3mm-30μm）范围内的电磁辐射，从频率上看，位于微波和光波之间。THz技术是新兴学科和技术领域，是公认的非常重要的交叉前沿领域，有关的研究具有深远的学术意义和重大的应用价值。比如，在机场安全监测、国家安全方面，THz成像技术相对于可见光和X射线有非常强的互补特性，且光子能量低，不会对人体和生物组织造成电离伤害；在雷达应用方面，THz波可实现比微波更高的空间分辨和更大的机动性；在无线通信方面，THz波能够提供更宽的带宽；在生物医学方面，许多生物大分子振动落在THz波段，具有特征谱特性。THz技术的发展，使得对THz波段各种器件的需求也日益迫切，THz源、探测器、THz谐振器、滤波器、开关、调制器等，都是非常重要的应用器件，但一直缺乏大量天然的THz器件、材料，而周期性结构的人工超材料（Metamaterial，MM）的出现为THz波段器件的发展提供了可能。. 人工电磁媒质，是近二十年来提出的一种新的概念。它可以通过设计不同的结构单元，实现几乎任意的介电常数ε和磁导率μ，从而能精确地控制电磁场的转播，获得我们想要的器件的性能。但是超构材料通常金属损耗较大，导致器件的损耗较大，而超导薄膜在THz区间具有低的欧姆损耗，我们利用了超导材料取代正常金属，得到低损耗的超导THz超构材料。而且通过外加温度、磁场、电流、光等方式进行线性调控。本项目中，我们实现了低温（4K-室温）、强场（几到几百kV/cm可变）太赫兹时域光谱（TDS）系统。并且利用该系统研究测量了超导薄膜NbN、YBCO、MgB2等材料的非线性特性，还利用超导薄膜设计设备了THz波段的非线性超材料，利用我们的低温强场THz光谱系统研究了其非线性特性。我们发现了基于EIT原理的NbN超导超构材料，其传输特性在强THz场作用下会发生很大变化，从而实现了利用THz场调谐THz波的传输，响应时间小于2ps。我们还利用了外加电流、电压对NbN超导超材料进行非线性调谐研究，得到了快速的超导太赫兹调制器。