[发明专利]一种基于纳米开口超材料的非线性太赫兹波调控装置

说明书

本发明公开了一种基于纳米开口超材料的非线性太赫兹波调控装置，包括飞秒激光源、第一分束器、第一波片、太赫兹波探测单元、第二分束器、太赫兹波产生单元以及太赫兹波谐振频率调控单元，太赫兹波谐振频率调控单元依次包括第一延时反射镜组件、倍频晶体、双色镜、半透半反膜和超材料，激光束C经过延时反射镜组件延时后进入倍频晶体产生λ/2波长激光，经过双色镜将其中残留的λ波长激光滤除，最后经过半透半反膜入射到超材料；超材料上制备有多个纳米开口的谐振环。本发明利用纳米开口对太赫兹波极强场增强能力和超材料的高灵敏度的共振探针能力，实现对强太赫兹波的非线性调控。

技术领域

本发明属于太赫兹波与非线性光学领域，特别涉及一种基于纳米开口超材料的非线性太赫兹波调控装置。

背景技术

太赫兹波段介于经典电磁场与光的量子交界处，强场太赫兹电磁波集超快电场脉冲、超快磁脉冲、低光子能量、时间分辨率高的四大优点于一身，使得场敏感的非线性变得可能。近年来随着飞秒激光技术的成熟和强脉冲源的普遍，以及倾斜波前、有机晶体、光导天线等等的不断发展，峰值电场达MV/cm量级的源已经随处可见。但是寻找合适的材料和新的机理来实现太赫兹频段的非线性却一直困扰着人们。近期出现的通过中红外紧聚焦在半导体里面实现高次谐波的工作让人们看到了太赫兹非线性实现的可能。进而石墨烯的场诱导高次谐波也极大地推进了太赫兹非线性的发展。但是，如何寻找一种适合于低频的、让普通实验室都能实现的、且有应用可能的场诱导非线性是值得深入研究的问题。

超材料是被预言最有可能实现太赫兹非线性的材料之一。它不仅可人为设计、优化，而且可实现非线性、拓扑、量子等各种超材料。在微波频段，通过开口处三极管的放大和非线性效应，可以实现微波的倍频、高次谐波等。太赫兹频段的超材料因为尺寸大、加工容易，发展尤其迅速。近年来，强场太赫兹波诱导的非线性超材料也频繁出现。它们要么通过局域场增强来实现衬底材料(例如VO2)的相变，从而反过来调控太赫兹波的谐振特性；要么基于强太赫兹波诱导的光生载流子的产生和传输进而实现对超材料的调控(例半导体)。但是利用这样的方式实现的非线性调控效果是极大的自振幅调制，伴随着非常微小的频率移动。

目前基于超材料实现强场太赫兹波非线性调控的方案主要有以下两种：1)基于高强度入射场改变衬底电导率从而实现非线性调控；2)利用纳米开口实现对太赫兹波的非线性调控。其中，方法1)中超材料的非线性调控大多基于衬底材料在强场激发谐振环开口处的衬底而产生载流子，进而改变开口处电导率来实现对太赫兹波的调控。但是这样的调控大多属于太赫兹波自身对其振幅的操控，它们本身对谐振频率的控制能力十分微弱，同时由于受到加工技术的限制，这样的谐振环的开口最小做到1μm，对太赫兹波的增强倍数有限，不利于研究极端太赫兹物理。方法2)用纳米开口对太赫兹波场增强的研究可追溯到2009年，韩国首尔大学的Kim教授组报道了将太赫兹波耦合进入70nm开口的开口，实现场诱导的纳米间隙电容器，可将高频太赫兹波整流为直流场，从而反过来实现对太赫兹波的非线性调控现象，支撑该非线性调控的基础是电子的量子隧穿效应，但是这种效应会给材料本身带来一定的损坏，同时太赫兹波诱导的场发射会对实验进行干扰，需要尽量克服。

发明内容

为此，本发明基于强太赫兹波和微纳超材料，利用基于铌酸锂倾斜波前法研究强太赫兹波与微纳超材料相互作用的物理机理，设计了一种低能耗、高效、高可靠，可线性放大非线性变化的基于纳米开口超材料的非线性太赫兹波调控装置，并在极端太赫兹波与物质相互作用物理和非线性太赫兹光学方面有所突破。

本发明提供了一种基于纳米开口超材料的非线性太赫兹波调控装置，包括飞秒激光源、第一分束器、第一波片、太赫兹波探测单元、第二分束器、太赫兹波产生单元以及太赫兹波谐振频率调控单元，所述第一波片为二分之一波片，

第一分束器用于将飞秒激光源产生的λ波长激光分成激光束A和激光束B，激光束A进入太赫兹波探测单元，激光束B依次经过第一波片和第二分束器后被分成激光束C和激光束D，激光束C进入太赫兹波谐振频率调控单元，激光束D进入太赫兹波产生单元；