太赫兹波段介质微腔光学特性研究

采用匀胶法制备了厚度在微米量级的 Si/[TiO₂/Al₂O₃]²TiO₂和Si/[TiO₂/MgO]²/TiO₂ 多层介质膜反射镜. 采用太赫兹(THz)时域透射光谱系统获得了多层膜的时域透射谱. 用传输矩阵法模拟了Si/[TiO₂/Al₂O₃]²TiO₂ 和Si/[TiO₂/MgO]²/TiO₂两种分布式布拉格反射镜 (DBR)的反射相移和相位穿透深度等光学特性. 设计了两种结构为 DBR/LT-GaAs/DBR的对称THz光学微腔结构并模拟了腔结构的辐射光谱. 结果表明:通过引入谐振腔, 两种DBR组成的微腔器件在谐振波长处的强度分别提高了19和14倍. 其中Si/[TiO₂/Al₂O₃]²TiO₂/LT-GaAs (12 μm)/ [TiO₂/Al₂O₃]²TiO₂腔的辐射光谱存在两个峰, 分别位于208和248 μm, 并分析了出现两个谐振峰的原因. 探讨了通过引入介质谐振腔实现对THz源的辐射特性进行调控的可行性. 关键词： 分布式布拉格反射镜 光子晶体 穿透深度 太赫兹微腔     

微纳光学结构与太赫兹辐射产生技术的研究进展

太赫兹(THz)技术在基础研究与产业应用中具有重要研究意义,但其广泛应用仍受限于高效、紧凑的THz源,特别是0.5～2.0 THz波段。目前,人们已经采用了多种技术产生THz辐射,基于光学的方法是其中最重要的手段。首先,针对THz脉冲波及连续波,基于光电导效应及非线性光学差频的THz辐射产生机理,总结了近年来微纳光学结构在提高泵浦光至THz转换效率上的应用。然后,分析了金属纳米光天线通过增强泵浦光局域电场提高THz辐射效率和将金属纳米光天线作为THz辐射源两种增强情况。最后,展望了其他类型的光学微纳结构,尤其是全介质光学天线支持的米氏谐振、无辐射模式以及连续域中束缚态等新颖物理现象在THz辐射产生中的增强作用。     

THz谐振腔型石墨烯光电探测器的设计

由于石墨烯在太赫兹波范围内只发生带内跃迁,相比在可见光范围内,其光学吸收特性有显著优势,通过集成石墨烯与谐振腔,将太赫兹波限制在腔内,可进一步增强石墨烯对太赫兹波的吸收.采用麦克斯韦方程组并结合电磁场边界条件,研究了单层石墨烯在太赫兹波段范围内的光吸收机理;推导出石墨烯的传输矩阵和吸收系数方程,发现在太赫兹波段石墨烯的吸收是在可见光波段吸收的9—22倍;通过建立谐振腔型石墨烯光电探测器在太赫兹波段的光吸收模型及求解探测器吸收率方程,发现在0.12 THz处,吸收率可达0.965,相比无腔状态下石墨烯在太赫兹波段的最大吸收率0.5,提高了93%;优化设计器件结构参数并表征,最终器件响应度最高达到236.7 A/W,半高全宽为0.035 THz.理论分析表明,采用谐振腔型石墨烯光电探测器对太赫兹波进行探测,具有高吸收率、高响应度.研究结果对于太赫兹谐振腔型石墨烯光电探测器的设计和应用提供了理论参考.     

腔内型光电导太赫兹辐射产生器设计

提出了在飞秒锁模钛宝石激光器腔内产生太赫兹辐射的新设计方案,并给出了太赫兹产生器件的结构参数以及器件的设计原理.新设计的器件把光电导太赫兹偶极天线发射器与飞秒钛宝石激光器的可饱和Bragg反射镜结合在一起,不仅可以提高太赫兹辐射的产生效率,而且可以使飞秒钛宝石激光器自启动锁模.     

磷化镓高功率太赫兹共线差频源的研究

在众多实现太赫兹辐射的方法中, 非线性光学共线差频能够实现高功率、宽波段、连续可调谐的太赫兹波辐射. 理论分析表明, 各向同性磷化镓晶体, 在1064 nm附近波长激光共线差频下具有毫米量级的相干长度, 能够满足高功率宽波段的太赫兹辐射条件.实验证明, 磷化镓晶体共线差频实现高功率宽波段的太赫兹光辐射, 其太赫兹光波长调谐范围为95.9–773.4 μm (0.39–3.13 THz), 最高峰值功率7 W位于频率2.0 THz处.该实验结果与理论计算基本保持一致. 关键词： 太赫兹源 磷化镓 共线差频     

电子在激光驻波场中运动产生的太赫兹及X射线辐射研究

采用单电子模型和经典辐射理论分别对低能和高能电子在线偏振激光驻波场中的运动和辐射过程进行了研究. 结果表明: 垂直于激光电场方向入射的低速电子在激光驻波场中随着光强的增大, 逐渐从一维近周期运动演变为二维折叠运动, 并产生强的微米量级波长的太赫兹辐射; 高能电子垂直或者平行于激光电场方向入射到激光驻波场中, 都会产生波长在几个纳米的高频辐射; 低能电子与激光驻波场作用中, 激光强度影响着电子的运动形式、辐射频率以及辐射强度; 高能电子入射时, 激光强度影响了电子高频辐射的强度, 电子初始能量影响着辐射的频率; 电子能量越高, 产生的辐射频率越大. 研究表明可以由激光加速电子的方式得到不同能量的电子束, 并利用电子束在激光驻波场的辐射使之成为太赫兹和X射线波段的小型辐射源. 研究结果可以为实验研究和利用激光驻波场中的电子辐射提供依据.     

光电导天线太赫兹辐射峰值调控研究

针对微结构光电导天线与飞秒激光之间相互作用效应以及辐射太赫兹波调控问题进行了研究。采用德鲁德-洛伦兹理论模型获得微结构光电导天线辐射光电流密度,通过时域有限差分把光电流密度迭代在激励网格上,结合麦克斯韦方程求解时变电磁场,并通过传输线格林函数获得多层介质近场到远场的辐射太赫兹波,建立了辐射光电流与辐射阻抗、电磁共振模式之间的关系模型,模拟仿真分析了微结构S型光电导天线太赫兹波辐射调控机理。研究结果表明:微结构改变了天线等效模型的辐射阻抗;同时得知耦合系数不为零时存在耦合作用,且随着耦合系数增大共振频率峰值发生辐射增强和位移;并通过设计S型光电导天线获得辐射峰值频率调整范围为0.50~0.80 THz之间,对比工形天线辐射峰值频率由原来的0.40 T移动到0.76 T,频率调整度75%,峰值辐射效率约提高70%。该研究工作为后续高功率光导天线太赫兹波辐射的共振中心频点以及结构设计奠定重要基础。     

雪崩倍增GaAs光电导太赫兹辐射源研究进展

在飞秒激光激励下用GaAs光电导开关作为太赫兹(THz)辐射天线, 已经广泛用于太赫兹时域光谱系统, 但目前国际上都是使用GaAs光电导开关的线性工作模式, 而GaAs光电导开关的雪崩倍增工作模式所输出的超快电脉冲功率容量远大于其线性工作模式, 迄今为止, 还没有人提出用雪崩倍增机理的GaAs 光电导开关作为辐射源产生THz电磁辐射. 本文探讨了用 雪崩倍增工作模式的GaAs光电导开关作为光电导天线产生THz电磁波的可能性及研究进展. 通过理论分析及实验研究, 在实验上实现了: 1) 利用nJ量级飞秒激光触发GaAs光电导天线, 可以进入雪崩倍增工作模式; 2) 利用光激发电荷畴的猝灭模式, 可以使GaAs光电导天线载流子雪崩倍增模式的延续时间(lock-on 时间)变短. 这为利用具有雪崩倍增机理的GaAs光电导天线产生强THz辐射奠定了基础.     

激光等离子体太赫兹辐射源的频率控制

实验研究了双色超快强激光场作用于氮气分子束所产生的宽带太赫兹(THz)辐射光谱随等离子体介质的密度和长度的依赖关系, 发现THz辐射的中心频率随等离子体密度提高和长度减小而增大(0.8-1.4 THz), 且谱宽也随之增加(0.78-1.53 THz). 分析和计算表明, 太赫兹光谱的变化由等离子体振荡频率和谱宽决定. 该发现为等离子体宽带太赫兹辐射源的光谱操控提供了新思路.     

基于逆向设计的片上太赫兹解复用器和光栅耦合器

太赫兹解复用器和光栅耦合器的传统构建方法需借助经典理论和经验计算,故它们的设计流程复杂,而且性能依赖于单元结构参数。随着逆向设计方法的提出及应用,该方法可以在限定大小的基片上设计出符合功能需求的器件结构。基于此,将逆向设计方法应用于太赫兹解复用器和光栅耦合器的设计,器件的尺寸分别为3 mm×3 mm×200μm和12 mm×12 mm×200μm。FDTD(Finite-Difference Time-Domain)的仿真结果表明,太赫兹解复用器能够将一束含两种频率的太赫兹波完美地从两个端口分离,并且透射率在0.500 THz和0.417 THz频率处均高达0.75以上,其相邻通道间的串扰低于-19 dB。太赫兹光栅耦合器的耦合效率在0.32 THz频率处高达0.85。     

磷化铟(InP)在太赫兹波段的特性研究

太赫兹(THz)时域光谱(TDS)技术,能同时测量幅值和相位信息,因而能检测到物质丰富的物理化学性质,已逐渐成为科学界一大热点。磷化铟(InP)因其载流子寿命短、质量小等优良性能,正逐渐成为产生和检测THz波辐射的首选光电导材料之一。文章利用THz-TDS测试技术,在室温氮气环境中,对n型0.35 Ω·cm的InP材料在0.2～4 THz波段的特性进行了研究。文章根据物理传输模型,利用更准确的迭代方式,选用新的初始值,更快更准确的得到了复折射率,介电常数,电导率等THz光学常数,并且用Drude模型进行了理论上的模拟计算,所得结果与实验吻合很好,最后还得到了载流子的寿命、迁移率和浓度等THz重要参数。     

电场诱导水的太赫兹透射特性研究

许多生物分子自身的转动、振动或分子团的整体振动模式都位于太赫兹波段内,因此可以利用太赫兹光谱技术对生物分子进行检测。同时又由于太赫兹波的光子能量仅为毫电子伏量级,不会对分子的内部结构造成破坏,所以太赫兹时域光谱技术在生物检测方面具有良好的应用前景。众所周知,绝大多数的生物分子只有在液体条件下才能发挥其生物活性,所以研究液体环境下生物分子之间的相互作用就非常必要。然而水分子的转动模式、振动模式以及和氢键有关的能量均处于太赫兹波段,从而对其产生强烈的吸收;另外,水分子为极性分子,而极性分子对太赫兹波有强烈的共振吸收,这就使利用太赫兹技术对生物分子活性进行动态表征产生了困难。因此在研究溶液中的生物分子与太赫兹波的相互作用时,最大限度地减小水分子对太赫兹波的吸收就成为近年来的研究热点。目前,减少水对太赫兹波吸收的主要方法有：在溶液样品中加入抑制氢键缔合的离子来减小水对太赫兹的吸收;通过改变溶液的温度来调节水对太赫兹的吸收;利用微流控芯片技术,通过减小被测样品与太赫兹波的作用距离来减小水对太赫兹波的吸收。另外,激光的激励、电场或磁场的处理,也能改变水对太赫兹波的吸收,将盛有去离子水的微流控芯片放于电场中,研究经电场处理不同时间的去离子水对太赫兹吸收强度的影响。结果发现,太赫兹波的透射强度随着去离子水在电场当中静置时间的增加而增强,当在电场中静置60 min时,太赫兹的频谱强度达到最大,与空气的频谱强度接近。由此可以推断外加电场使水分子的偶极矩发生了变化,从而对整体水分子的振动和转动产生了影响,并且改变了水中的氢键结构,导致了太赫兹透射光谱强度的增强。     

超薄金属膜在太赫兹波段的光学特性研究

超薄金属膜在太赫兹波段的探测器、反射镜、波导器件以及太赫兹量子级联激光器中得到了广泛应用。超薄金属膜的光学常数不仅是这些器件设计中不可缺少的参数,而且是开发新型光电材料的一个重要依据。文章运用太赫兹差分时域光谱技术对超薄金属铬、镍和钛膜的光学特性研究,获得其在太赫兹波段的折射率和消光系数,并根据菲涅尔公式计算入射介质为高阻GaAs时,GaAs/Metal界面的反射谱,三种金属在0.3～1.5THz的波段范围内的平均反射率均超过80%。研究超薄金属膜在太赫兹波段的反射特性,为设计性能优良的太赫兹辐射源、探测器及太赫兹光学元件奠定基础。     

植物油和动物脂肪在THz波段的吸收和色散

由超短激光脉冲产生的THz脉冲是具有较宽频带的电磁辐射，属于远红外波段，该波段电磁波与物质的相互作用是个崭新的研究领域.文章应用THz光谱技术研究了5种植物油和两种动物脂肪的THz光谱，得到了这些材料在0．2—1．6THz频率范围的折射率和吸收系数.结果表 明，不同种类的油脂具有不同的折射率，其中植物油的折射率随频率的增加而略有降低，其 值在1．46—1．66之间.吸收系数在0．2—1．2THz随频率的增加而增大.动物脂肪的折射率 随频率变化基本不变，并且随温度升高而增大，其值在1．4—1．52之间.吸收系数在0．2— 1．2THz随频率的增加而增大.该研究结果对于THz时域光谱技术应用于生物成像及生物医学 有重要的意义. 关键词： THz光谱技术 折射率 吸收系数 植物油 动物脂肪     

驻波声场中悬浮临界密度及稳定性研究

本文以声场中物体为研究对象,理论上得到行波和驻波场中的声辐射压力方程.在驻波声场中引入临界悬浮密度概念,可作为物体能否在非线性声场中悬浮的判据,同时给出谐振腔移动速度的最大范围.更进一步,以实验参数作为数值计算的输入来指导实验,并结合实验结果讨论了驻波声场中样品密度和大小、发射面和反射面形状以及两者之间的距离、反射面的尺寸等因素对物体悬浮稳定性的影响,发现当物体尺寸和密度确定时,调控好谐振腔的长度,增加波腹处的声压是提升声悬浮稳定性的有效手段.     

各向异性聚合物薄膜参数的测量与计算

讨论了用单侧漏模法测量薄膜共振漏模的耦合角、计算漏模的有效折射率并由相应的模方程来确定各向异性聚合物薄膜折射率ｎ０、ｎｅ及厚度ｄ的方法。对ＰＴ－ＰＥＫ－ｃ（酞酸铅－聚醚醚酮）膜，测量与计算结果为：ｎｏ＝１．６５２５±０．００１４，ｎｅ＝１．６４３９±０．００１９，ｄ＝２．３３±０．３２μｍ。     

A scheme of quantum phase gate for trapped ion

We propose a scheme to implement two-qubit controlled quantum phase gate(CQPG) via a single trapped two-level ion located in the standing wave field of a quantum cavity, in which the trap works beyond the Lamb--Dicke limit. When the light field is resonant with the atomic transition $|g\rangle\leftrightarrow|e\rangle$ of the ion located at the antinode of the standing wave, we can perform CQPG between the internal and external states of the trapped ion; while the frequency of the light field is chosen to be resonant with the first red sideband of the collective vibrational mode of the ion located at the node of the standing wave, we can perform CQPG between the cavity mode and the collective vibrational mode of the trapped ion. Neither the Lamb--Dicke approximation nor the assistant classical laser is needed. Also we can generate a GHZ state if assisted with a classical laser.     

Polarization of light backscattered by small particles

We study scattering of light by wavelength-scale spherical, cubic, and spheroidal particles as well as clusters of spherical particles for equal-volume-sphere size parameters 4≤x≤10 and refractive indices 1.1≤m≤2.0. Such particles exhibit three specific features in the regime of backscattering: first, the intensity shows a backscattering peak; second, the degree of linear polarization for unpolarized incident light is negative; and, third, the depolarization ratio is double-lobed. We find that the overall characteristics of the scattering-matrix elements can be explained by an internal field composed of waves propagating in opposite directions near the particle perimeter and forming standing waves, as well as a wave propagating forward with the wavelength of the internal medium. When moving from the central axis of the particle toward its perimeter, the internal field changes from a forward-propagating wave with a wavelength dictated by the particle refractive index toward a standing wave with an apparent wavelength of the surrounding medium. The mapping of the internal field to the scattered far field is like an interference dial where rotation of the dial by a quarter of a wavelength on the particle perimeter results in a change from a destructive to constructive interference feature in the angular patterns (or vice versa). The dial is a manifestation of a well-known rule of thumb: the number of maxima or minima in the scattering-matrix elements is given by the size parameter. We explain the backscattering peak as deriving from the backward-propagating internal wave near the particle perimeter. Negative polarization follows from the spatial asymmetry of the internal fields: inside the particle, the fields are amplified near the central plane perpendicular to the polarization state of incident light, resulting in more pronounced interference effects for the perpendicular polarization than for the parallel polarization. The double-lobe feature in the depolarization results from the same internal-field structure with leading cross-polarized fields located slightly different from the copolarized fields. We discuss practical implications of these findings for the retrieval of particle sizes, shapes, and refractive indices from observations and laboratory experiments.     

Effect of external electric field on the terahertz transmission characteristics of electrolyte solutions

We fabricated a microfluidic chip with simple structure and good sealing performance, and studied the influence of the electric field on THz absorption intensity of liquid samples treated at different times by using THz time domain spectroscopy system. The tested liquids were deionised water and CuSO₄, CuCl₂, NaHCO₃, Na₂CO₃ and NaCl solutions. The transmission intensity of the THz wave increases as the standing time of the electrolyte solution in the electric field increases. The applied electric field alters the dipole moment of water molecules in the electrolyte solution, which affects the vibration and rotation of the whole water molecules, breaks the hydrogen bonds in the water, increases the number of single water molecules and leads to the enhancement of the THz transmission spectrum.     

Electromagnetic wave chaos in gradient refractive index optical cavities.

Electromagnetic wave chaos is investigated using two-dimensional optical cavities formed in a cylindrical gradient refractive index lens with reflective surfaces. When the planar ends of the lens are cut at an angle to its axis, the geometrical ray paths are chaotic. In this regime, the electromagnetic mode spectrum of the cavity is modulated by both real and ghost periodic ray paths, which also "scar" the electric field intensity distributions of many modes. When the cavity is coupled to waveguides, the eigenmodes generate complex series of resonant peaks in the electromagnetic transmission spectrum.