0 引言

    太赫茲(Terahertz,，THz)波是介于毫米波與紅外光之間的電磁波,，其頻率范圍為100 GHz~10 THz^[1]。太赫茲技術(shù)在生物分子識別^[2],、醫(yī)療領(lǐng)域的成像與識別^[3-9],、天文學(xué)探測傳感器^[10]和顯微鏡技術(shù)^[11-12]等領(lǐng)域中具有潛在的應(yīng)用,，引起了人們廣泛的關(guān)注。隨著太赫茲技術(shù)發(fā)展,，設(shè)計和制作太赫茲波段的調(diào)控器件變得非常迫切,。由于自然材料對太赫茲波段缺乏適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，人們把目光轉(zhuǎn)移到了人工設(shè)計的超構(gòu)材料的研發(fā)當(dāng)中^[13],。超構(gòu)材料又稱超材料,，最先由WALSER A R M等人^[14]提出，指人工制造的亞波長周期結(jié)構(gòu)材料,，一般是由亞波長周期金屬結(jié)構(gòu)組成的,。與一般的天然材料相比，它能夠?qū)崿F(xiàn)負的折射率^[15],、逆多普勒效應(yīng)和逆切倫科夫輻射^[16]等特殊的電磁現(xiàn)象,。在過去十多年中，太赫茲波段超材料引起了人們極大的興趣^[17-34],。2008 年,，TAO H等人^[17]利用表面微加工技術(shù)在半絕緣GaAs基片上制備了“雙開口SRRs-介質(zhì)層 金屬線”結(jié)構(gòu)，其在共振頻率1.3 THz處對入射波的吸收率達到了70%,。2009年,，OLIVER P等人^[18]設(shè)計并制作了兩種基于超材料的太赫茲濾波器，分別為線板結(jié)構(gòu)和十字槽結(jié)構(gòu),，通過激發(fā)低損的“誘捕?！保沟脗鬏斖◣У耐干渎食^80%,，阻帶的透射得到明顯抑制,。同年，WEIS P等人^[19]利用制備在BCB板上的“斷續(xù)線對”銅制金屬周期結(jié)構(gòu),，設(shè)計并制作出高透射率的λ/4和λ/2波片,，透射波強度分別超過74%和58%。2013年,，Li Jiusheng等人^[20]設(shè)計并制備了雙耳異向單頻帶太赫茲吸波材料,，其在0.573 THz處吸收率達到了99.6%。以上提到的器件都屬于被動調(diào)控器件,，一旦結(jié)構(gòu)確定,，其對太赫茲波的響應(yīng)也就相應(yīng)確定了。為了實現(xiàn)對太赫茲波段超材料的動態(tài)調(diào)控,，人們引入了溫度場^[21-22],、電場^[23-24]、磁場^[25]、機械場^[26-27],、光場^[28-33],，提出了各種結(jié)構(gòu)的可調(diào)控的超材料。

    與其他調(diào)控方式相比,，光場的調(diào)控方式具有時間響應(yīng)快,、操作簡單的特點，是研究最多的調(diào)控方式,。2005年,，德國的Kurz研究組^[28]首次研究了基于太赫茲超材料的全光調(diào)制器，他們利用半導(dǎo)體隨泵浦光功率不同而趨膚深度不同的特性,，通過改變泵浦光功率從0 mW～200 mW,，實現(xiàn)了對太赫茲超材料諧振峰的調(diào)節(jié)。2006年,，PADILLA W J等人^[29]在高阻砷化鎵襯底材料上加工了開口諧振環(huán),，通過實驗首次證實利用光激發(fā)半導(dǎo)體基底中的載流子，可以實現(xiàn)對太赫茲超材料的電響應(yīng)的動態(tài)調(diào)控,。2007年,，F(xiàn)EKETE L等人^[30]提出了基于一維光子晶體的太赫茲調(diào)制器，通過激光作用GaAs層引起光子帶隙的移動來實現(xiàn)太赫茲波透射調(diào)制,，其調(diào)制深度達到了50%,。2008年，CHEN H T等人^[31]將金屬微帶結(jié)構(gòu)刻在半導(dǎo)體硅基片上,，利用光調(diào)控改變電導(dǎo)率的大小來改變電容器的有效尺寸,，在共振頻率處對透射率的控制幅度達到了20%。2011年,，SHEN N H等人^[32]在亞波長金屬諧振器中加入硅材料,，通過光調(diào)控使共振頻率在0.76~0.96 THz范圍內(nèi)變化，頻移幅度達到了26%,。2012年,，WEIS P等人^[33]利用功率為0~500 mW的激光調(diào)諧石墨烯/高阻硅復(fù)合結(jié)構(gòu)，太赫茲調(diào)制深度達到了99%,。

    現(xiàn)在報道的光控超材料大多都是通過改變控制光的能量,，使半導(dǎo)體材料中載流子的濃度改變，引起超材料諧振頻率變化,，從而實現(xiàn)對亞波長金屬結(jié)構(gòu)太赫茲波的動態(tài)調(diào)控,。半導(dǎo)體材料載流子的復(fù)合壽命一般為納秒量級^[34],，這限制了基于半導(dǎo)體的超材料光調(diào)控的響應(yīng)速度,，且調(diào)控效果對半導(dǎo)體形狀大小的依賴非常明顯。CS₂是一種簡單的液體材料，具有較大的光學(xué)非線性,，經(jīng)常被用作參考樣品來校準其他材料的三階非線性光學(xué)性質(zhì),。相比較半導(dǎo)體材料而言，它的響應(yīng)時間只有1.68 ps^[35],，且調(diào)控效果不依賴其大小形狀,，加工方便。

由此,，本文提出一種基于CS2的對太赫茲波段超材料光調(diào)控的辦法,。

1 結(jié)構(gòu)與仿真

    亞波長金屬塊陣列是典型的超材料結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外的研究小組對此結(jié)構(gòu)進行了廣泛研究^[36-39],。2018年,，JING W等人^[36]在亞波長金屬塊陣列結(jié)構(gòu)中引入了液晶材料，制備了具有大調(diào)制深度和低插入損耗的電可調(diào)太赫茲調(diào)制器,。本文以他們提出的亞波長金屬塊陣列結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),，研究利用CS₂實現(xiàn)對其太赫茲波透射的光調(diào)控。

    JING W等人^[36]研究過的金屬塊陣列結(jié)構(gòu)如圖1所示,。金屬塊單元長為L=90 μm,，寬為W=40 μm，金屬塊長為X=55 μm,，寬為Y=8 μm,，厚度為d=0.1 μm。本文采用SiO₂材料為基底,。在太赫茲波段,金屬介電常數(shù)的虛部非常大,，因此金屬可看作理想的電導(dǎo)體材料。

    如圖2所示,，為了實現(xiàn)材料的太赫茲透射特性的光調(diào)控,，選用CS₂作為調(diào)控介質(zhì)，將亞波長周期金屬塊陣列結(jié)構(gòu)浸沒在CS₂中,。頻率為1~3.5 THz的太赫茲信號光經(jīng)透鏡聚焦后入射到金屬塊陣列上,，陣列位于太赫茲波焦點處。同時采用波長為800 nm的飛秒激光^[40]經(jīng)透鏡反射到陣列結(jié)構(gòu)上作為控制光,，且控制光光斑覆蓋太赫茲光斑,。在0~2 MW/μm²范圍內(nèi)改變控制光的強度，從而調(diào)節(jié)CS₂的折射率,，實現(xiàn)對其太赫茲波透射的光調(diào)控,。

2 仿真結(jié)果與討論

    CS₂是一種典型的具有較大非線性折射率的材料，其折射率可以表示為^[41]：

其中,，n₀為線性折射率,，取n₀=1.627 6；γ為非線性折射率系數(shù)，取γ=2.1×10^-7 μm²/W^[42-43],；I為光的強度,。圖3為CS₂折射率與光強的關(guān)系。

    由圖3可以看出,，隨著光強度的增大,，CS₂的折射率線性增加。本文中選取控制光強度分別為0,、0.476,、0.952、1.428,、1.904(MW/μm²),，CS₂的折射率相應(yīng)增加為1.73、1.83,、1.93,、2.03。利用FDTD solution軟件進行仿真計算了不同控制光強度下太赫茲信號的透射光譜,。

    依照文獻[36],，設(shè)置金屬塊陣列結(jié)構(gòu)基底折射率為n₁=1，覆蓋金屬塊的介質(zhì)的折射率設(shè)置為n₂=1.5,。仿真得到的透射譜如圖4中的曲線1所示,。由圖4看出，透射譜有兩個波谷一個波峰,。其中,，波谷1在2.3 THz處，波谷2在3.2 THz處,，波峰在3.1 THz處,，此結(jié)果與文獻[36]的結(jié)果完全一致。

    在本文提出的方案中,，基底為SiO₂,，控制介質(zhì)為CS₂，改變控制光功率分別為0,、0.476,、0.952、1.428,、1.904 (MW/μm²),。不同控制光功率下信號光的透射頻譜如圖4所示。當(dāng)控制光的功率為0時,，得到的透射譜如圖4中的曲線2所示,，波谷1移動至1.88 THz處,，波谷2移動至2.90 THz處，波峰移動至2.85 THz處,。相比于文獻[36]給出的透射譜,，波谷和波峰都發(fā)生了紅移現(xiàn)象,，這種改變是由于基底與覆蓋金屬塊介質(zhì)折射率變化引起的,，本文對這種變化不予考慮。當(dāng)控制光功率密度增大為0.476 MW/μm²時,，得到的透射譜如圖4中的曲線3所示,，波谷1出現(xiàn)在1.82 THz處，波谷2出現(xiàn)在2.85 THz處,，波峰出現(xiàn)在2.80 THz處,。當(dāng)控制光的功率增加至0.952 MW/μm²時，得到的透射譜如圖4中的曲線4所示,，波谷1出現(xiàn)在1.76 THz處,，波谷2出現(xiàn)在2.80 THz處，波峰出現(xiàn)在2.74 THz處,。當(dāng)控制光的功率增加至1.428 MW/μm²時,，得到的透射譜如圖4中的曲線5所示，波谷1出現(xiàn)在1.70 THz處,，波谷2出現(xiàn)在2.76 THz處,，波峰出現(xiàn)在2.69 THz處。當(dāng)控制光的功率增加至1.904 MW/μm²時,，得到的透射譜如圖4中的曲線6所示,，波谷1出現(xiàn)在1.65 THz處，波谷2出現(xiàn)在2.72 THz處,，波峰出現(xiàn)在2.64 THz處,。可以看出,，加上控制光后,，波谷1、波谷2和波峰都發(fā)生了紅移,，并且隨著控制光功率的增加,，紅移增加，具體的改變情況如圖5所示,。

    由圖5可以發(fā)現(xiàn),，波谷1、波谷2和波峰的頻率隨控制光功率增大發(fā)生紅移,兩者呈線性關(guān)系,。定義單位光強改變ΔE引起的波谷或者波峰的頻率改變Δf為調(diào)控靈敏度K,，即：

    調(diào)控靈敏度K越大說明調(diào)控光對波谷或者波峰的調(diào)控越顯著,。其中波谷1的調(diào)控靈敏度為0.10 THz/(MW/μm²)，波谷2的調(diào)控靈敏度為0.12 THz/(MW/μm²),，波峰的調(diào)控靈敏度為0.12 THz/(MW/μm²),。該仿真結(jié)果表明，波谷波峰的頻率受到基于CS₂的光調(diào)控,。

    在文獻[36]的透射譜中,，2.3 THz波谷1處出現(xiàn)的共振是對稱的天線共振^[44]，電場強烈局域化分布,，品質(zhì)因數(shù)Q=2.7,，簡稱為低Q共振。3.2 THz波谷2處出現(xiàn)的共振是不對稱的Fano共振,，對應(yīng)于表面波模式,，由電偶極子相互作用產(chǎn)生，品質(zhì)因數(shù)Q=53,，簡稱為高Q共振,。低Q共振和高Q共振的共振波長都與金屬塊結(jié)構(gòu)的周期大小L、基底的折射率n₁,、覆蓋金屬塊的介質(zhì)的折射率n₂有關(guān),，可以用式(3)對這兩處共振發(fā)生的位置進行描述。

其中,，n_eff為結(jié)構(gòu)有效折射率,，它取決于n₁和n₂的大小,；L為結(jié)構(gòu)的周期,，和原文獻相同，采用L=90 μm,；λ為材料的共振波長,。由式(3)可以得知在周期長度確定的情況下，超材料的共振波長將主要由周圍介質(zhì)的有效折射率來確定,。

    對于低Q共振而言,，這里的n_eff更接近于覆蓋金屬塊的介質(zhì)的折射率n₂。隨著光功率逐漸增大,，CS₂的折射率隨之增大,，引起有效折射率n_eff增大，因此天線共振的位置紅移,。對于高Q共振而言,，由于基底的更換以及覆蓋介質(zhì)n₂的改變，這里的有效折射率n_eff將不滿足于原文獻中所描述的更加靠近基底折射率n₁的關(guān)系,。但可以確定的是,，隨著光功率增大使得CS₂的折射率增大的同時,，n_eff也相應(yīng)增大，從而引起Fano共振的位置紅移,。

3 結(jié)論

    本文研究了利用CS2的光克爾效應(yīng)實現(xiàn)對亞波長周期金屬塊陣列結(jié)構(gòu)太赫茲透射特性的調(diào)控,。考慮到覆蓋的CS2層厚度極薄,，引起出射光的插入損耗,、相位的變化很小，可以忽略不計,，因此在本文中只探究CS2對透射譜諧振點位置的調(diào)控,。研究結(jié)果表明,，波谷1的調(diào)控靈敏度達到0.10 THz/(MW/μm²),，波谷2的調(diào)控靈敏度達到0.12 THz/(MW/μm²)，波峰的調(diào)控靈敏度達到0.12 THz/(MW/μm²),。

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作者信息:

施依琳1，楊素英2,，高亞臣1

(1.黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院,，黑龍江 哈爾濱150080；2.朝陽市衛(wèi)生學(xué)校 物理組,，遼寧 朝陽122000)