[發明專利]一種基于超材料的太赫茲二次諧波產生器件

在審

• 申請號: 202110200308.0
• 申請日: 2021-02-23
• 公開（公告）號: CN113009746A
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發明（設計）人: 文永正;王陳;周濟
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G02F1/37
• 分類號: G02F1/37;G02F1/355
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙靜

本發明公開了一種基于超材料的太赫茲二次諧波產生器件。所述超材料由諧振單元和低損耗襯底組成，其中諧振單元由場增強結構和耦合結構兩部分構成。在太赫茲波激發時，場增強結構由于諧振增強了局域的磁場和電場，耦合結構處于場增強位置，其載流子受磁場力的驅動做非諧振動，進而在室溫下輻射出太赫茲二次諧波。本發明創造性地采用磁電耦合的超材料結構，其二階非線性特性可通過調整超材料結構參數實現精確控制，具有超高設計自由度，且該超材料結構緊湊，易集成，在0.1?30THz頻率范圍內具有相當廣泛的應用前景。

技術領域

本發明屬于非線性太赫茲技術領域，具體涉及一種基于超材料的太赫茲二次諧波產生器件。

背景技術

太赫茲波處于微波和紅外光波之間，其在醫學成像，無線通信系統，無損檢測，化學識別以及亞毫米天文學等方面有廣闊的應用前景，太赫茲技術將會極大地加快制造安全、公共衛生、生物醫學、國防、通信和質量檢測等其他波長技術受限制領域的發展。目前，太赫茲波的產生和處理技術尚處于起步階段，用于微波和紅外光波的常規設備難以在太赫茲頻率范圍內產生和調制電磁波，這需要開發新的設備和技術。二次諧波產生指非線性材料在基頻光激發下輻射頻率為激發波兩倍的倍頻光的現象，它是非線性光學效應中最早發現且廣泛應用的現象，其在開發新波段激光源等重要領域起著關鍵作用。然而由于太赫茲波的特殊性，使得目前太赫茲二次諧波產生較為困難，僅有反鐵磁晶體和超導體等少數幾種材料可以在某幾個特殊頻率處產生，且大多數需要低溫(液氮、液氦溫度)環境，因此難以滿足太赫茲光源及其芯片級集成的發展和應用需求。超材料作為一種新型人工介質材料，其性質主要取決于人工結構而非材料組成，因此具有高設計自由度、結構緊湊、易集成等優點，已經在線性光學和太赫茲領域，產生了諸多自然材料難以實現的特異物理性質。這些優勢也讓超材料為太赫茲二次諧波產生提供了新的思路和途徑。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于超材料的太赫茲二次諧波產生器件。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：

本發明所提供的基于超材料的太赫茲二次諧波產生器件，包括超材料，所述超材料由單個諧振單元或多個諧振單元呈陣列形式置于襯底上構成；所述諧振單元由場增強結構和耦合結構兩部分構成；所述耦合結構處于場增強結構的局域磁場或電場增強的位置。

所述陣列的排布可以是規律的，也可以是隨機的。

所述場增強結構在與基頻太赫茲波諧振時，產生諧振電流或諧振電場，進而引起局域磁場和電場的顯著增強，其強度相較入射太赫茲波的電磁場強度提高了數倍至數千倍不等，具體增強強度取決于結構設計。

所述耦合結構處于場增強結構的局域磁場和電場增強的位置，其載流子受到的磁場力(F_B(2ω))為:

式中ω是基頻太赫茲波的角頻率，q為載流子電荷，為在Drude模型中自由電子的遷移率，E(ω)和B(ω)是局域電場和磁場的矢量振幅，t是時間，c.c.是復共軛，i是虛數單位。式(1)表明耦合結構中載流子由于局域場作用，受磁場力驅動可以做非諧振動，進而輻射二倍頻的太赫茲諧波，其二階極化可以表示為：

式中ε₀是真空介電常數，ω_P、μ_e0和γ是所述耦合結構組成材料的等離子體頻率、直流遷移率和電子碰撞率，a_j為與局域電場和磁場方向都垂直的方向的單位矢量。通過改變所述場增強結構和耦合結構的幾何參數，以及二者的相對位置，可以對產生的太赫茲二次諧波特性進行按需設計，包括二次諧波的頻率、帶寬、偏振態、相位和強度等。