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(shí)別^[2],、醫(yī)療領(lǐng)域的成像與識(shí)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(jì)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(duì)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(jì)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(fù)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(duì)入射波的吸收率達(dá)到了70%,。2009年,，OLIVER P等人^[18]設(shè)計(jì)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(duì)”銅制金屬周期結(jié)構(gòu),，設(shè)計(jì)并制作出高透射率的λ/4和λ/2波片,，透射波強(qiáng)度分別超過74%和58%。2013年,，Li Jiusheng等人^[20]設(shè)計(jì)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(dá)到了99.6%。以上提到的器件都屬于被動(dòng)調(diào)控器件,，一旦結(jié)構(gòu)確定,，其對(duì)太赫茲波的響應(yīng)也就相應(yīng)確定了,。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波段超材料的動(dòng)態(tài)調(diào)控,，人們引入了溫度場^[21-22]、電場^[23-24],、磁場^[25],、機(jī)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(shí)間響應(yīng)快、操作簡單的特點(diǎn),，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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(shí)驗(yàn)首次證實(shí)利用光激發(fā)半導(dǎo)體基底中的載流子,，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲超材料的電響應(yīng)的動(dòng)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(dòng)來實(shí)現(xiàn)太赫茲波透射調(diào)制,，其調(diào)制深度達(dá)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(duì)透射率的控制幅度達(dá)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(dá)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(dá)到了99%。

    現(xiàn)在報(bào)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(shí)現(xiàn)對(duì)亞波長金屬結(jié)構(gòu)太赫茲波的動(dòng)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(jí)^[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(duì)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(zhǔn)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(shí)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(duì)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(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)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(hào)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(diǎn)處,。同時(shí)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(qiáng)度,，從而調(diào)節(jié)CS₂的折射率,，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(qiáng)度。圖3為CS₂折射率與光強(qiáng)的關(guān)系,。

    由圖3可以看出,，隨著光強(qiáng)度的增大，CS₂的折射率線性增加,。本文中選取控制光強(qiáng)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(jìn)行仿真計(jì)算了不同控制光強(qiáng)度下太赫茲信號(hào)的透射光譜。

    依照文獻(xiàn)[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(gè)波谷一個(gè)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(xiàn)[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(hào)光的透射頻譜如圖4所示,。當(dāng)控制光的功率為0時(shí)，得到的透射譜如圖4中的曲線2所示,，波谷1移動(dòng)至1.88 THz處,，波谷2移動(dòng)至2.90 THz處，波峰移動(dòng)至2.85 THz處,。相比于文獻(xiàn)[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(duì)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(shí)，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(shí),，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(shí),，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(shí)，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,?？梢钥闯觯由峡刂乒夂?，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(qiáng)改變?chǔ)引起的波谷或者波峰的頻率改變?chǔ)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(duì)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(xiàn)[36]的透射譜中,，2.3 THz波谷1處出現(xiàn)的共振是對(duì)稱的天線共振^[44],，電場強(qiáng)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(duì)稱的Fano共振，對(duì)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(duì)這兩處共振發(fā)生的位置進(jìn)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?。籐為結(jié)構(gòu)的周期,，和原文獻(xiàn)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(duì)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(duì)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(xiàn)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(shí),，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(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì),，因此在本文中只探究CS2對(duì)透射譜諧振點(diǎn)位置的調(diào)控,。研究結(jié)果表明，波谷1的調(diào)控靈敏度達(dá)到0.10 THz/(MW/μm²),，波谷2的調(diào)控靈敏度達(dá)到0.12 THz/(MW/μm²),，波峰的調(diào)控靈敏度達(dá)到0.12 THz/(MW/μm²)。

參考文獻(xiàn)

[1] 安國雨.太赫茲技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展研究[J].環(huán)境技術(shù),，2018,，212(2)：29-32.

[2] FALCONER R J，MARKELZ A G.Terahertz spectroscopic analysis of peptides and proteins[J].Journal of Infrared,，Millimeter,，and Terahertz Waves，2012,，33(10)：973-988.

[3] HU B B,，NUSS M C.Imaging with terahertz waves[J].Optics Letters，1995,，20(16)：1716.

[4] MITTLEMAN D M,，GUPTA M，NEELAMANI R,，et al.Recent advances in terahertz imaging[J].Applied Physics B(Lasers and Optics),，1999，68(6)：1085-1094.

[5] COLE B E.Terahertz imaging and spectroscopy of human skin in vivo[C].Proceedings of SPIE,，2001,，4276：1-10.

[6] WOODWARD R M，WALLACE V P，PYE R J,，et al.Terahertz pulse imaging of ex vivo basal cell carcinoma[J].Journal of Investigative Dermatology,，2003，120(1)：72-78.

[7] EADIE L H,，REID C B,，F(xiàn)ITZGERALD A J，et al.Optimizing multi-dimensional terahertz imaging analysis for colon cancer diagnosis[J].Expert Systems with Applications,，2013,，40(6)：2043-2050.

[8] SY S，HUANG S Y,，XIANG Y.Terahertz spectroscopy of liver cirrhosis: investigating the origin of contrast[J].Physics in Medicine & Biology,，2010，55(24)：7587-7596.

[9] OH S J,，HUH Y M,，SUH J S，et al.Cancer diagnosis by terahertz molecular imaging technique[J].Journal of Infrared,，Millimeter and Terahertz Waves,，2012，33(1)：74-81.

[10] GERBER D,，SWINYARD B M,，ELLISON B N，et al.LOCUS：low cost upper atmosphere sounder[C].Proceedings of SPIE,，2013.

[11] PLAUT S,，BARABASH S，BRUZZONE L,，et al.Jupiter ICY moons explorer(JUICE)：science objectives,，mission and instruments[C].Lunar & Planetary Science Conference，2014.

[12] KIWA T,，TONOUCHI M,，YAMASHITA M，et al.Laser terahertz-emission microscope for inspecting electrical faults in integrated circuits[J].Optics Letters,，2003,，28(21)：2058-2060.

[13] 李春.有源太赫茲超導(dǎo)超材料[D].南京：南京大學(xué)，2018.

[14] WALSER A R M.Electromagnetic metamaterials[J].Proceeding of SPIE,，2001,，4467(10)：931-934.

[15] ZHANG S，PARK Y S,，LI J,，et al.Negative refractive index in chiral metamaterials[J].Physical Review Letters,，2009,，102(2)：023901.

[16] WANG Y,，WU Q，WU Y M,，et al.Broadband terahertz left-hand material with negative permeability for magnetic response[J].IEEE Transactions on Magnetics,，2011，47(10)：2592-2595.

[17] TAO H,，LANDY N,，BINGHAM C，et al.A metamaterial absorber for the terahertz regime：design,，fabrication and characterization[J].Optics Express,，2008，16(10)：7181-7188.

[18] OLIVER P,，RENEB,，MARCO R.Highly selective terahertz bandpass filters based on trapped mode excitation[J].Optics Express，2009,，17(21)：819-827.

[19] WEIS P,，PAUL O，IMHOF C,，et al.Strongly birefringent metamaterials as negative index terahertz wave plates[J].Applied Physics Letters,，2009，95(17)：171104.

[20] Li Jiusheng.High absorption terahertz-wave absorber consisting of dual-C metamaterial structure[J].Microwave and Optical Technology Letters,，2013,，55(5)：1185-1189.

[21] ZHU Y，VEGESNA S,，ZHAO Y,，et al.Tunable dual-band terahertz metamaterial bandpass filters[J].Optics Letters，2013,，38(14)：2382-2384.

[22] NAKATA Y,，URADE Y，OKIMURA K,，et al.Anisotropic babinet-invertible metasurfaces to realize transmission-reflection switching for orthogonal polarizations of light[J].Physical Review Applied,，2016，6(4)：044022.

[23] VALMORRA F,，SCALARI G,，MAISSEN C，et al.Low-bias active control of terahertz waves by coupling large-area CVD graphene to a terahertz metamaterial[J].Nano Letters,，2013,，13(7)：3193-3198.

[24] LEE S,，LEE K E，LEE W J,，et al.Two-terminal graphene oxide devices for electrical modulation of broadband terahertz waves[J].Advanced Optical Materials,，2016，4(4)：548-554.

[25] RICCI M C,，XU H,，PROZOROV R，et al.Tunability of superconducting metamaterials[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,，2012,，17(2)：918-921.

[26] PRYCE I M，AYDIN K,，KELAITA Y A,，et al.Highly strained compliant optical metamaterials with large frequency tunability[J].Nano Letters，2010,，10(10)：4222-4227.

[27] FU Y H,，LIU A Q，ZHU W M,，et al.A micromachined reconfigurable metamaterial via reconfiguration of asymmetric split-ring resonators[J].Advanced Functional Materials,，2011，21(18)：3589-3594.

[28] JANKE C,，RIVAS J G,，BOLIVAR P H，et al.All-optical switching of the transmission of electromagnetic radiation through subwavelength apertures[J].Optics Letters,，2005,，30(18)：2357-2359.

[29] PADILLA W J，TAYLOR A J,，HIGHSTRETE C,，et al.Dynamical electric and magnetic metamaterial response at terahertz frequencies[J].Physical Review Letters，2006,，96(10)：107401.

[30] FEKETE L,，KADLEC F，KUZEL P,，et al.Ultrafast opto-terahertz photonic crystal modulator[J].Optics Letters,，2007，32(6)：680.

[31] CHEN H T,，O"HARA J F,，AZAD A K，et al.Experimental demonstration offrequency-agile terahertz metamaterials[J].Nature Photonics,，2008,，2(5)：295-298.

[32] SHEN N H,，MASSAOUTI M，GOKKAVAS M,，et al.Optically implemented broadband blueshift switch in the terahertz regime[J].Physical Review Letters,，2011，106(3)：037403.

[33] WEIS P,，GARCIA-POMAR J L,，HOH M,，et al.Spectrally wide-band terahertz wave modulator based on optically tuned graphene[J].ACS Nano,，2012，6(10)：9118-9124.

[34] 錢士雄,，王恭明.非線性光學(xué)：原理與進(jìn)展[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社,，2001.

[35] HEISLER I A，CORREIA R R B,，BUCKUP T,，et al.Time-resolved optical Kerr-effect investigation on CS₂ polystyrene mixtures[J].The Journal of Chemical Physics，2005,，123(5)：054509.

[36] JING W,，HAO T，YU W,，et al.Liquid crystal terahertz modulator with plasmon-induced transparency metamaterial[J].Optics Express,，2018，26(5)：5769-5776.

[37] HE Y,，HE P,，YOON S D，et al.Tunable negative index metamaterial using yttrium iron garnet[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials,，2007,，313(1)：187-191.

[38] 孔輝，李高芳,，馬國宏,，等.亞波長金屬塊陣列中太赫茲波的傳輸特性研究[J].光子學(xué)報(bào)，2012,，41(8)：888-892.

[39] 沈云,，汪濤，汪云,，等.太赫茲波段金屬陣列結(jié)構(gòu)的透射及反射寬譜偏振特性[J].光學(xué)學(xué)報(bào),，2018，434(5)：131-137.

[40] 孔德貴.二硫化碳等幾種非線性材料的飛秒光學(xué)非線性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),，2010.

[41] SHEIK-BAHAE M,，SAID A A,，WEI T H，et al.Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,，1990,，26(4)：760-769.

[42] COURIS S，RENARD M,，F(xiàn)AUCHER O,，et al.An experimental investigation of the nonlinear refractive index(n2) of carbon disulfide and toluene by spectral shearing interferometry and z-scan techniques[J].Chemical Physics Letters，2009,，369(3)：318-324.

[43] FALCONIERI M,，SALVETTI G.Simultaneous measurement of pure-optical and thermo-optical nonlinearities induced by high-repetition-rate，femtosecond laser pulses：application to CS2[J].Applied Physics B,，1999,，69(2)：133-136.

[44] WANG B X，ZHAI X,，WANG G Z,，et al.A novel dual-band terahertz metamaterial absorber for a sensor application[J].Journal of Applied Physics，2015,，117(1)：014504.

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)