一种基于超材料的太赫兹二次谐波产生器件

本发明属于非线性太赫兹技术领域，具体涉及一种基于超材料的太赫兹二次谐波产生器件。

背景技术：

太赫兹波处于微波和红外光波之间，其在医学成像，无线通信系统，无损检测，化学识别以及亚毫米天文学等方面有广阔的应用前景，太赫兹技术将会极大地加快制造安全、公共卫生、生物医学、国防、通信和质量检测等其他波长技术受限制领域的发展。目前，太赫兹波的产生和处理技术尚处于起步阶段，用于微波和红外光波的常规设备难以在太赫兹频率范围内产生和调制电磁波，这需要开发新的设备和技术。二次谐波产生指非线性材料在基频光激发下辐射频率为激发波两倍的倍频光的现象，它是非线性光学效应中最早发现且广泛应用的现象，其在开发新波段激光源等重要领域起着关键作用。然而由于太赫兹波的特殊性，使得目前太赫兹二次谐波产生较为困难，仅有反铁磁晶体和超导体等少数几种材料可以在某几个特殊频率处产生，且大多数需要低温(液氮、液氦温度)环境，因此难以满足太赫兹光源及其芯片级集成的发展和应用需求。超材料作为一种新型人工介质材料，其性质主要取决于人工结构而非材料组成，因此具有高设计自由度、结构紧凑、易集成等优点，已经在线性光学和太赫兹领域，产生了诸多自然材料难以实现的特异物理性质。这些优势也让超材料为太赫兹二次谐波产生提供了新的思路和途径。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于超材料的太赫兹二次谐波产生器件。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明所提供的基于超材料的太赫兹二次谐波产生器件，包括超材料，所述超材料由单个谐振单元或多个谐振单元呈阵列形式置于衬底上构成；所述谐振单元由场增强结构和耦合结构两部分构成；所述耦合结构处于场增强结构的局域磁场或电场增强的位置。

所述阵列的排布可以是规律的，也可以是随机的。

所述场增强结构在与基频太赫兹波谐振时，产生谐振电流或谐振电场，进而引起局域磁场和电场的显著增强，其强度相较入射太赫兹波的电磁场强度提高了数倍至数千倍不等，具体增强强度取决于结构设计。

所述耦合结构处于场增强结构的局域磁场和电场增强的位置，其载流子受到的磁场力(fb(2ω))为:

式中ω是基频太赫兹波的角频率，q为载流子电荷，为在drude模型中自由电子的迁移率，e(ω)和b(ω)是局域电场和磁场的矢量振幅，t是时间，c.c.是复共轭，i是虚数单位。式(1)表明耦合结构中载流子由于局域场作用，受磁场力驱动可以做非谐振动，进而辐射二倍频的太赫兹谐波，其二阶极化可以表示为：

式中ε0是真空介电常数，ωp、μe0和γ是所述耦合结构组成材料的等离子体频率、直流迁移率和电子碰撞率，aj为与局域电场和磁场方向都垂直的方向的单位矢量。通过改变所述场增强结构和耦合结构的几何参数，以及二者的相对位置，可以对产生的太赫兹二次谐波特性进行按需设计，包括二次谐波的频率、带宽、偏振态、相位和强度等。

所述场增强结构尺寸应小于目标基频太赫兹波长，为具有亚波长尺寸的几何体，以满足谐振要求。所述场增强结构的组成材料，需满足超材料谐振对材料的基本要求，其材料选择包括金、银、铜、铝等导体金属，掺杂或本征的硅、锗、砷化镓等半导体，二氧化钛、钛酸钡、氧化铝、氮化硅等介质材料。

所述耦合结构可以是彼此分离并具有一定几何形状的结构，也可以是连续的结构；可以独立于衬底，也可以是衬底的一部分。所述耦合结构的组成材料，应为通过一定方式可以产生载流子的材料，其载流子产生方式包括元素掺杂、碰撞电离、光激发、本征激发、热激发或高能带电粒子激发等；其原材料选择包括掺杂或本征的硅、锗、砷化镓和锑化铟等半导体材料，铋等半金属材料，石墨烯和二硫化钼等二维材料，金、银、铜、铝等导体金属。

所述衬底为对太赫兹波损耗较低的材料，可以是硅、锗、砷化镓、磷化铟等半导体材料，也可以是石英、蓝宝石等介质材料，亦可以是聚酰亚胺(polyimide)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚对二甲苯(parylene)等高分子材料，具体选择视工作频率和应用场景而定。

根据本发明的一个实施例，所述超材料由单个谐振单元置于衬底上构成；所述谐振单元由场增强结构和耦合结构两部分构成；所述耦合结构处于场增强结构的局域磁场或电场增强的位置；结构示意图如附图1所示。

其中，所述场增强结构，是由金构成的双开口方谐振环；具体的，其外边长可为46μm，内边长可为34μm，环宽度可为6μm，两个开口相对设置，开口宽度均为4μm，开口中心偏离中线均为10μm，厚度为300nm；

所述耦合结构，具体材料为n型掺杂硅，尺寸为31μm×15.5μm，耦合结构处于双开口方谐振环内部，其三边与开口环的间隙距离都是1.5μm，厚度为300nm；

所述衬底为太赫兹波段低损耗的衬底，具体材料为高阻硅(电阻率为10000ω·cm)，厚度为10μm。

进一步的，还可以图1所示的超材料谐振单元以70μm×70μm的周期在平面内周期性扩展得到超材料阵列(如附图2所示的阵列)。

通过改变所述超材料的参数，包括周期大小、谐振单元几何参数和衬底介电常数，可以精确调整目标电磁波的响应频率，可调范围覆盖0.1-30thz。

本发明还保护利用上述基于超材料的太赫兹二次谐波产生器件产生太赫兹二次谐波的方法。

本发明所提供的太赫兹二次谐波产生方法是利用上述基于超材料的太赫兹二次谐波产生器件。

所述方法能实现基频在0.1thz-30thz范围内的太赫兹二次谐波产生。

本发明有益效果为：

1)本发明提供了一种基于超材料的太赫兹二次谐波产生方法，本方法具有超高的设计自由度，能根据实际需要设计超材料结构，实现基频在0.1thz-30thz范围内的太赫兹二次谐波产生；

2)相比于现有的太赫兹二次谐波产生技术，本发明所提供的太赫兹二次谐波产生方法可室温工作，无需低温设备，极大的简化了整体太赫兹光学系统的复杂度和工作条件；

3)本发明所提供的太赫兹二次谐波产生方法主要依赖于超材料的结构耦合，整体对组成材料并没有严格要求，因此可以通过选择较易加工的材料，降低加工难度和成本；并可与现有微纳加工工艺兼容，实现芯片级集成；还可以根据实际情况，选择不同材料组分制备超材料，以满足不同场景应用需求。

附图说明

图1为本发明实施例1中超材料的谐振单元和衬底的示意图，

其中1为场增强结构(金双开口方谐振环)，2为耦合结构(掺杂硅)，3为低损耗衬底(高阻硅)。

图2为图1所示超材料单元以70μm×70μm的周期在平面内周期性扩展所得超材料阵列示意图。

图3为本发明实施例1中超材料阵列的透射、反射和吸收谱。

图4为本发明实施例1中超材料阵列谐振时的电流分布。

图5为本发明实施例1中超材料阵列的y方向原始和带通滤波后的时域透射谱。

图6为本发明实施例1中超材料阵列的x方向的频域透射谱。

图7为本发明实施例1中超材料阵列的y方向的频域透射谱。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

实施例1

本发明实施例提供了一种基于超材料的太赫兹二次谐波的器件以及利用该器件在太赫兹频段(0.7thz)产生二次谐波的方法。

所述基于超材料的太赫兹二次谐波产生器件，包括超材料，所述超材料由多个谐振单元呈阵列形式置于衬底上构成；所述谐振单元由场增强结构和耦合结构两部分构成；所述耦合结构处于场增强结构的局域磁场和电场增强的位置。

所述场增强结构尺寸小于目标基频太赫兹波长，为具有亚波长尺寸的几何体，以满足谐振要求。

所述耦合结构可以是彼此分离并具有一定几何形状的结构，也可以是连续的结构；可以独立于衬底，也可以是衬底的一部分。

本实施例中所述超材料如图1所示。

图1中1部分为场增强结构，是由金构成的双开口方谐振环，外边长为46μm，内边长为34μm，环宽度为6μm，两个开口相对设置，开口宽度均为4μm，开口中心偏离中线均为10μm，厚度为300nm。

图1中2部分为耦合结构，具体材料为n型掺杂硅(电导率为3037s/m，迁移率为379cm^2/(v*s))，尺寸为31μm×15.5μm，耦合结构处于双开口方谐振环内部，距其内边1.5μm，厚度为300nm。

图1中3部分为太赫兹波段低损耗的衬底，具体材料为高阻硅(电阻率10000ω·cm)，厚度为10μm。

图2是图1所示3个部分的超材料谐振单元以70μm×70μm的周期在平面内周期性扩展得到的超材料阵列。

图3是实施例1中超材料阵列在频域中的响应曲线，采用x偏振的平面波垂直入射，超材料在0.7thz处产生谐振。

图4是实施例1中超材料结构单元谐振时的电流分布，金双开口方谐振环由于谐振产生环形电流，环形电流进一步引起局域磁场的增强，掺杂硅中载流子处于磁场和电场增强的部位，在磁场力驱动下发生非谐振动。

图5是实施例1中超材料阵列通过有限元分析方法得到的y方向时域透射谱和经过中心频率为1.4thz的带通滤波之后的二次谐波时域谱。

采用有限元分析方法(采用的软件是comsolmultiphysics)，对超材料进行时域仿真得到原始的透射谱，然后对原始透射谱进行带通滤波得到二次谐波。

在本发明实例中，入射太赫兹波峰值电场强度为10⁷v/m时，得到的二次谐波峰值强度为1123v/m。

图6和图7是实施例1中超材料阵列x和y方向的时域透射谱经过傅里叶变换后得到的频域谱，仿真结果与理论相符，x方向没有二次谐波产生，y方向观察到明显的二次谐波产生。

本发明实例所述超材料主要采用微纳加工的方法制备，包括离子注入、紫外曝光、和电子束蒸镀。

以上所述，仅为本发明一个具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。