文章背景太赫兹（THz）技术在光谱学、成像、传感和通信等领域发挥着越来越重要的作用。为了推动这些应用的发展，高性能的太赫兹生成和操控设备至关重要。传统上，太赫兹的生成和操控通常由不同的设备模块完成，而将这两种功能集成到一个单一紧凑的设备中，将极大地降低成本并简化系统，推动太赫兹技术的发展。文章提出本文提出了一种基于epsilon-near-zero（ENZ）材料的混合非线性等离子体超表面，用于高效地生成和操控太赫兹波。该超表面由纳米尺度的等离子体元原子（split-ring resonators, SRRs）和ENZ材料（氧化铟锡，ITO）薄膜组成，通过耦合等离子体共振模式和ITO薄膜的ENZ模式，实现了超过4个数量级的太赫兹转换效率提升，并能够通过设计的非线性Pancharatnam-Berry（PB）相位来操控发射的太赫兹波的偏振和波前。创新点一ENZ材料与等离子体超表面的结合：文章展示了通过将ENZ材料ITO与等离子体超表面结合，可以显著增强太赫兹信号的强度。这种增强效应主要归因于ENZ材料与等离子体共振模式之间的强耦合，以及ENZ模式下电场的显著增强。这种设计不仅提高了太赫兹波的生成效率，还实现了对太赫兹波偏振和波前的精确操控。创新点二宽带太赫兹波的集成生成与操控：文章提出的混合非线性超表面能够同时实现太赫兹波的生成和操控，且操作频带宽。通过设计不同的超表面结构，实现了角度分辨的圆偏振（CP）太赫兹波和CP依赖的涡旋太赫兹波的产生。这些结构能够根据泵浦光的偏振状态和设计的非线性PB相位，精确地控制太赫兹波的发射方向和偏振状态。文章总结文章成功展示了基于ENZ材料的混合非线性超表面，该超表面不仅能够高效地生成太赫兹波，还能同时对太赫兹波的偏振和波前进行操控。这种集成的太赫兹生成与操控设备（IGM）为开发下一代低功耗、高效、紧凑且超快的太赫兹光子器件开辟了新途径。实验结果表明，该超表面在宽带频率范围内具有超过2太赫兹的太赫兹生成能力，且转换效率与0.2毫米厚的ZnTe晶体相当。启发在于材料与结构的协同设计：通过将ENZ材料与等离子体超表面结合，利用材料的特殊光学性质和结构的共振效应，为提高非线性光学过程的效率提供了新的思路。这种协同设计方法可以推广到其他波段和应用中，以实现更高效的光子器件。多功能集成的超表面技术：文章中展示的超表面不仅能够生成太赫兹波，还能对其进行操控，这种多功能集成的设计理念为未来光子器件的发展提供了重要的参考。通过合理设计超表面的结构和材料，可以实现更多功能的集成，如波前调制、偏振控制、频率转换等，从而推动光子技术的进一步发展。宽带操作与动态调控：该研究中的超表面在宽带频率范围内展示了良好的性能，这为开发能够适应多种应用需求的宽带光子器件提供了可能。此外，通过进一步研究和优化超表面的设计，有望实现对太赫兹波的动态调控，从而在实时通信、成像和传感等领域发挥更大的作用。
文献来源: Nano Letters, 2021, 21(18):7699-7707.https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02372
作者：Yongchang Lu,† Xi Feng,† Qingwei Wang,† Xueqian Zhang,* Ming Fang,* Wei E.I. Sha, Zhixiang Huang, Quan Xu, Li Niu, Xieyu Chen, Chunmei Ouyang, Yuanmu Yang, Xixiang Zhang, Eric Plum, Shuang Zhang,* Jiaguang Han,* and Weili Zhang
发表日期: 2021
报告人：高恩博
