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[2018][note]用于超快偏振开关和动态光束分裂的all-optical有源THz超表——

前言

类型
太赫兹 + 超表面 太赫兹 + 超表面 太赫兹+超表面
期刊
O p e n A c c e s s Open Access OpenAccess
作者
L o n g q i n g C o n g , Y o g e s h K u m a r S r i v a s t a v a , H u i f a n g Z h a n g , X u e q i a n Z h a n g , J i a g u a n g H a n , R a n j a n S i n g h Longqing Cong, Yogesh Kumar Srivastava, Huifang Zhang, Xueqian Zhang, Jiaguang Han,Ranjan Singh LongqingCong,YogeshKumarSrivastava,HuifangZhang,XueqianZhang,JiaguangHan,RanjanSingh
时间
2018 2018 2018


目录

    • 前言
    • 研究目的
      • 超表面
        • 调制方法
      • Si
    • 研究方法
      • 混合圆形分裂开口谐振器(h-SRR)
        • 三种模式
      • all-optical有源调制
    • 结论
    • 问题

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研究目的

超表面

平面超表面的出现为平面光学元件提供了有前景的应用,并为前所未有的电磁波控制提供了机会

最近发现的超表面最有前景的一个应用是作为编码超材料

迄今为止,大多数使用超表面操纵光的研究集中于提高操作效率、解决像差和拓宽带宽

较少关注可切换或多功能超表面设备的主动路径,其配置可以使用外部刺激动态控制

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调制方法

已经报道了用于超表面动态调制的潜在方法,例如通过

  1. 集成变容二极管或PIN二极管
  2. 基于MEMS的执行器
  3. 半导体材料(硅、GaAs和导电氧化物)
  4. 二维材料(石墨烯和钙钛矿)
  5. 相变材料( V O 2 和 G S T VO_2和GST VO2GST
  6. 非线性材料

所有这些方法都显示了通过电、光或热刺激调制超设备响应的出色能力,具有各自的优缺点

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Si

硅是一种优秀且成熟的,互补金属-氧化物-半导体兼容材料

由于硅的制造灵活性和优异的光学性能,硅基混合超表面已被证明用于调制Fano共振、电磁诱导透明和慢光行为

Fano共振:
会产生非对称线形的散射共振现象

电磁诱导透明EIT(也叫电磁感应透明):
能够利用外加相干光场来诱导原子系统的相消干涉来抵消媒介对某种光的吸收,使不透明的材料变得透明。
当窄带离散状态与宽带连续介质相消干涉时,会产生EIT,所得光谱是Fano线型

慢光行为:
降低光的能量速度可以使光子充分跟物质相互作用,这样可以增强一些非线性效应

然而,关于可以用作多功能平面光学器件的动态元器件的报道很少。该论文提出了一种混合太赫兹各向异性谐振器的方案,该谐振器作为与图案化硅外延层集成的微型全光有源超表面的基本构建块。

该论文实验证明了在混合金属硅超材料谐振器方案中传输偏振态的超快全光调制和动态分束

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研究方法

混合圆形分裂开口谐振器(h-SRR)

在这里插入图片描述
采用方形单元上的h-SRR作为研究超表面特性的基本构建块

在图a中,绿色正方形是蓝宝石( A l 2 O 3 Al_2O_3 Al2O3)衬底,紫色部分是蓝宝石顶部的圆形硅( S i Si Si)环,黄色分割环由硅环顶部的铝制成

金属环中的分裂间隙破坏了晶胞结构的对称性,导致正交极化激发的不同共振行为,即平行(沿y轴)和垂直(沿x轴)镜像对称轴

   \;

如图b中的虚线所示,

  • 电感-电容( L C LC LC)谐振( 模式 I 模式I 模式I
  • 三阶谐振( 模式 I I I 模式III 模式III

上面两种模式由 x 极化 x极化 x极化入射引起,而偶极谐振( 模式 I I 模式II 模式II)由感兴趣频率范围中的 y 极化 y极化 y极化入射激发

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相对于线性极化入射,谐振器的面内旋转45°导致所有三种基本谐振模式的激发,这使得频谱变宽,如图b中的实线所示

谐振器面内旋转 45 ° ⇒ 激发三种模式 ⇒ 频谱变宽 谐振器面内旋转45° \Rightarrow 激发三种模式 \Rightarrow 频谱变宽 谐振器面内旋转45°激发三种模式频谱变宽

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三种模式

通过对不同谐振频率下的表面电流和电场的模拟,可以观察到这三种模式的离散谐振行为和不同的辐射特性

图b表示了三种共振模式下的合成电场集中在局限于模态I和III的电容隙中观察到强约束,在模态II的电容隙中观察到微弱电场

这种模式差异允许对共振行为进行不同的控制,并通过选择性阻尼I和III模式实现h-SRR各向异性的主动调制。

  • 在h-SRR的基础上,可以开发出几种有前景的有源元器件和超快开关

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all-optical有源调制

当在h-SRR中加入薄半导体外延层( S i , 带隙 ∼ 1.1 e V Si,带隙\sim 1.1 eV Si,带隙1.1eV)时,由外部光泵(脉冲激光 @ 800 n m , 1 k H z @800 nm, 1 kHz @800nm,1kHz重复频率, ∼ 120 f s \sim 120 fs 120fs脉冲宽度,光斑直径Ф ~ 10 mm)主动控制光学特性

  • 为了将载流子从价带抽运pump到导带,泵浦光具有比带隙更高的光子能量,从而产生动态光电导

使用无图纹蓝宝石上硅(SOS)衬底的光泵太赫兹探针(OPTP)对不同泵浦光电导率进行了详细的研究

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结论

该论文演示了混合超材料谐振器各向异性在667 ps的时间尺度上的光学开关,这导致了偏振态的超快切换、较大的偏振对比度

还通过实验演示了具有可调分束比的有源偏振分束器,这是通过混合谐振器设计中硅的可调动态光导率实现的

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问题

超表面能做超材料吗?

什么是偏振对比度?

电场的三种模态怎么观测到的?什么是电容隙?

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