赫兹功能仪

近日，复旦大学物理系周磊\孙树林课题组利用由高深宽比（20:1）的硅基人工原子构建的超构表面，在太赫兹波段实现了绝对效率高达88%的透射式自旋解耦双功能器件，例如在不同手性太赫兹光照射下实现聚焦\偏折或双全息成像等等不同功能。相关研究成果以“Bifunctional Manipulation of Terahertz Waves with High-Efficiency Transmissive Dielectric Metasurfaces”为题，于2022年12月在线发表在Advanced Science上。太赫兹（Terahertz，THz）波因其在信息通讯、生物医疗和国防安全等领域具有重大应用需求而备受相关科研人员的关注。然而，传统太赫兹器件由于自然材料在该波段的电磁响应很弱，而普遍存在体积庞大、效率低和功能单一等问题。近年来，具有强大电磁波调控能力和超薄结构特性的超构表面的出现为光学器件的小型化和功能多样化方面带来了新的契机。太赫兹超构表面器件研究在成为太赫兹领域研究热点的同时，也面临着诸多困难与挑战：金属欧姆损耗极大限制超构器件的绝对工作效率，现有全介质超构表面器件存在功能相对单一和效率低等问题。针对这些问题，研究团队提出了利用具有高深比的全介质柱人工原子（例如：纯硅）构建透射式太赫兹高效自旋解耦超构表面功能器件的新思路，并实验验证了不同圆偏振太赫兹光激励下的多功能光场调控（见图1）。图1.高效双功能全介质超构表面的示意图复旦大学周磊教授团队在太赫兹波段基于高深宽比（20：1）全介质人工原子构建了多功能超构器件，实验实现了对左右旋圆偏振入射光的高效（绝对效率88%）且完全不同的波前调控（即自旋解耦）。光学器件的效率和多功能操控一直以来都是一个瓶颈问题，对于透射式器件尤为明显。究其本质是构建超构表面的人工原子既要满足全相位覆盖要求，还要具备高的透射效率。团队发现具有高深宽比的全介质人工原子可同时满足上述条件，同时利用散射相消原理在器件反面引入减反结构可进一步提升器件的绝对效率。团队通过将套刻技术与深硅刻蚀Bosch Process工艺相结合，调节刻蚀（etch）和钝化（passivation）工艺平衡，成功制备出了具有100%偏振转化效率的高深宽比双面介质人工原子（如图2所示）。 图2. 器件加工中的Bosch平衡，器件SEM图以及太赫兹光谱图基于上述高效透射型全介质人工原子，团队充分利用与自旋无关的传输相位和与自旋相关的几何相位这两个独立调控自由度，设计和实现了手性完全解锁的高效双功能波前调控器件。图3 展示了高效双功能波前调控器件所对应的透射相位分布及其对应的人工原子的几何参数和旋转角度分布。团队的太赫兹实验远场实验完美验证了该超构器件对左右旋圆偏振光实现的聚焦和偏折效应，其绝对工作效率高达88%。为了进一步验证该设计方法的普适性，团队进一步设计并实验表征了功能更加复杂的高效全息成像双功能器件。在图4中展示了该太赫兹双功能全息超构器件的实验和模拟结果：该器件在不同圆偏振太赫兹光的激励下，可在器件透射端焦平面的左右两侧呈现不同的全息图像（字母“F”和“D”）。 图3.双功能器件的相位分布与SEM图以及实验测试架构和结果 图4. 全息成像器件SEM图、相位分布图以及近场扫描的实验结果与模拟结果周磊教授团队在此项工作中系统地阐述了利用全介质超构表面实现太赫兹高效自旋解耦多功能波前调控的设计方法，并基于成功制备的高深宽比高达20：1的全硅基超构表面样品，实验验证了具有自旋解锁的聚焦/偏折双功能器件和双功能全息超构器件。此项工作可为实现高效、小型化且多功能的透射式太赫兹器件研究提供新思路和新方法，并为未来的片上光子学研究发展提供更多的可能。复旦大学物理学系博士后王卓与博士研究生姚尧为论文的共同第一作者。复旦大学物理学系周磊教授和复旦大学光科学与工程系孙树林研究员为该论文共同通讯作者。该工作还得到上海大学通信学院肖诗逸教授和复旦大学物理学系何琼教授的大力支持与帮助。该研究工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金和上海市科委的项目的支持。

p 　　中国科学技术大学教授陆亚林量子功能材料和先进光子技术研究团队在太赫兹主动调控器件研究方面取得系列进展。该团队研究了太赫兹波与超构材料、氧化物超晶格薄膜相互作用机制，并成功制备了超快的太赫兹调制器，率先实现了皮秒级的高调制深度的太赫兹超快开关 同时制备了多功能的太赫兹器件，在单一器件中实现电开关、光存储和超快调制多种功能。相关研究成果近期相继发表在国际学术期刊《先进光学材料》。 /p p 　　太赫兹波具有独特的时域脉冲、低能、谱指纹、宽带等特性，它在物理化学、材料科学、生物医学、环境科学、安全检查、卫星通讯等领域有着广阔的应用前景。其中，影响太赫兹技术发展和应用的关键因素之一是难以获得主动太赫兹调控元器件。超构材料，一种由金属或介质材料的亚波长微结构阵列组成的人工材料，其奇异的电磁响应特性为太赫兹调控器件提供了绝佳的解决方案。遗憾的是，以往基于超构材料的太赫兹元器件均由金属材料构成，加工尺寸固定后，器件的功能在实际应用中便难以主动改变。因此，发展主动调控的太赫兹元器件有着重要的研究意义。 /p p 　　通常主动调控是对太赫兹波偏振、振幅、相位等进行调控，调控速度是另外一个指标。一些实际应用也迫切需求对太赫兹波进行超快调控。陆亚林团队设计并制作了基于硅介质的超快调控超表面。通过对硅薄膜进行离子注入和快速热处理工艺，大大减小了硅的载流子寿命并提高了自由载流子浓度。然后通过光刻、刻蚀工艺将硅薄膜加工为能在太赫兹波段共振的圆盘阵列结构的超表面。利用红外飞秒脉冲的激发，率先实现了皮秒级的高调制深度的太赫兹超快开关(开20ps，关300ps)，并基于半导体载流子动力学建立理论模型对其进行了合理的解释。相关研究成果近日在《先进光学材料》期刊上线。 /p p 　　另外，当前研究的太赫兹主动调控器件功能比较单一，即只能在单一外场下实现单一的功能。但单一功能难以适应当今技术发展的要求。因此，在单一器件上，实现多物理场的调控，并实现对太赫兹波的多功能调控，是当前太赫兹技术的发展前沿之一，也是实际应用的现实需求。有鉴于此，该团队基于VO2的绝缘-金属相变，通过将VO2与金属非对称开口谐振环结合，设计了一种太赫兹波段的多功能可调谐复合超表面，并利用国家同步辐射实验室副研究员邹崇文提供的高质量VO2薄膜，通过刻蚀、光刻等工艺制备了器件。此复合超表面能够通过加热和施加电流的方式实现对透射太赫兹波的振幅调控，绝对调制深度高达54%，品质因数高达138%。基于VO2在相变过程中的回滞特性，该复合超表面可以通过电流触发实现室温下对太赫兹波的记忆存储功能。此外，利用超快强脉冲泵浦，此复合超表面还能实现对太赫兹波的超快调控。从而，在单一器件实现了对太赫兹波的多功能调控。相关研究成果近日在《先进光学材料》期刊上线。 /p p 　　此外，很多材料在太赫兹波段的响应仍是未知的，而只有研究清楚了各类材料与太赫兹波相互作用的特性，设计主动太赫兹器件才能有迹可循。该团队利用自行搭建的两套太赫兹系统测量并分析了量子功能材料与太赫兹波的相互作用。重点研究了不同周期数的La0.7Sr0.3MnO3/ SrTiO3超晶格薄膜的太赫兹响应，发现了532 nm连续激光的泵浦对此超晶格在太赫兹波段的介电常数具有较大的调控作用，并通过Drude-Lorentz模型的拟合对此现象进行了微观机理的解释，这为寻找新的可用于太赫兹主动调控器件的功能材料开辟了新路径。相关研究成果发表在《光学快讯》[Opt. Express. 26, 7842 (2018)]上。 /p p 　　上述论文的第一作者为合肥微尺度物质科学国家实验中心博士研究生蔡宏磊，通讯作者为黄秋萍、陆亚林。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和教育部等关键项目的资助。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/2420c70a-1699-4d09-9881-605198df6544.jpg" title=" 1.png" / /p p style=" text-align: center " 硅介质超表面器件示意图以及其对太赫兹波超快调控的实验结果 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/c2bbe902-a857-47af-9110-dac15eec004e.jpg" title=" 2.png" / /p p style=" text-align: center " 金属-VO2复合超表面器件示意图及其电开关、光存储功能的实验结果 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/d4a3ee1d-337a-4aa6-812d-3a05c3fe2e87.jpg" title=" 3.png" / /p p style=" text-align: center " La0.7Sr0.3MnO3/ SrTiO3超晶格薄膜在太赫兹波段的介电常数和激发光功率关系 /p p br/ /p p br/ /p

p 　　太赫兹波是介于毫米波与远红外线之间的电磁波，具有低能量、宽频谱、强穿透、瞬态性等优越特性。太赫兹技术因其在安防安检、国防军工、工业检测等众多领域具有的广泛研究与应用价值，被列为“改变未来世界的十大技术”。据多家媒体报道，日前已经有太赫兹安检+红外测温一体化仪器现身深圳、上海地铁，助力战“疫”。 br/ /p p 　　其中，博微太赫兹信息科技有限公司的“全过程无接触测温安检一体机”，在上海市公安局联合攻关支持下，已在上海地铁正式启用。 /p p 　　据介绍，“无接触”测温安检功能一体化的智能安检系统，以太赫兹人体安检仪为核心，将红外测温设备与太赫兹人体安检仪相结合，仅需被检人员正常步行通过安检区域，即可在无需停留的情况下，完成测温及安检，真正实现了“全过程无接触”模式，大大降低了安检人员与被检人员交叉感染的可能性。同时，无停留的快速通行效率，将原有的300人/小时增至1500人/小时，提升5倍，有效缓解了地铁人流聚集压力。 /p p 　　另外，重投华讯太赫兹集团研发的“太赫兹+红外”系列产品之一——太赫兹红外人体安检测温系统，已在福田交通枢纽测试，并已在深圳地铁集团推广使用。 /p p 　　据悉，该系统是深圳市发展改革委重点扶持的一批防控战疫重点项目之一。系统实现了“太赫兹技术+人工智能+红外测温”高度集成，创新使用非接触式的精准人体安检和测温功能，大幅提升安检工作效率，真正做到隔离式非接触安检测温。此次有针对性研发的太赫兹红外人体安全测温系统中加载的红外测温模块具有检测精度高、体温筛查快等显著特点，对体温超标目标实施实时拍照留存和及时自动报警。该系统投入使用，将大大降低安检人员与被检人员交叉感染的可能性，有效缓解人流密集场所安检压力。 /p