[发明专利]基于超构孔结构的太赫兹手性调制器

说明书

技术领域

本发明是一种基于超构孔结构的太赫兹手性调制器，属于电磁功能器件。具体讲,涉及基于超构孔结构的太赫兹手性调制器。

背景技术

太赫兹(terahertz,THz,1THz＝10¹²Hz)波段因其独特的性质吸引着大量的学者，近年来，太赫兹技术在高速通讯、雷达探测、安全检查和药物检测等领域都展现出了巨大的应用潜力。太赫兹技术的进步需要高效的太赫兹源、探测器和各种工作在太赫兹波段的功能器件如偏振控制器^[1]、手性调制器^[2,3]和滤波器^[4]等。目前，太赫兹源和探测器已经取得了重大的进步，但是太赫兹功能器件的发展却相对缓慢，其中包括太赫兹手性调制器。手性响应是一种打破镜像对称的特殊响应。对于手性响应，是指两个不同自旋的圆偏振光在手性材料中，由于电场和磁场的相互耦合，会出现不同的响应，即被打破自旋简并。这样的光学行为在自然界的手性材料中往往很弱。超材料的提出空前拓展了人类操控电磁波的能力，在过去的几十年里，超材料在实现手性器件的发明方面被广泛研究。超材料的手性控制能力在很多应用方向上展现出了巨大的潜力，例如：手征负折射率^[5]、圆偏振片^[6]、偏振成像^[7]、非对称传输^[8]和光学自旋霍尔效应^[9]。不过，之前的工作大都是通过设计独立基本单元的电磁耦合实现手性调制器。对于这些器件，要想进一步增强手性响应，通常需要复杂的3D结构或者多层堆积结构^[10]，对加工工艺要求较高且损耗问题严重，不易于手性调制器的小型化、产业化的发展。

后来，研究者发现，具有二维结构的超表面对电磁波的波前也有着前所未有的调控能力。并且，超表面的厚度处于亚波长量级，显著地降低了光学损耗同时减小制作过程的复杂性。因此，超表面为电磁波波前的操控提供了一个更加实用化的手段。超表面的关键特征是具有构造相位、振幅突变和局部改变偏振的能力，更重要的是，把这种控制特征引入到表面等离子体领域，可以实现自旋相关的表面等离子体的激发，在不同的圆偏振光的入射下，传播的表面等离子体可以为输入光和输出光建立不同的连接，为设计手性调制器提供了方便且有前景的手段。

最近，有研究者通过把超表面和矩形金属狭缝结合起来发明了手性调制器^[11]。超表面由多列金属槽对谐振器组成，每对金属槽中的两个金属槽谐振器互相垂直，超表面180°旋转对称地分布在矩形金属狭缝的两侧。圆偏振光入射时，超表面激发出向中间传播的表面等离子体，利用表面等离子体传播到中间矩形金属狭缝被散射到自由空间的光与直接透过矩形金属狭缝的光之间的干涉，实现了对透射光的手性调制。但传统的金属槽谐振器激发表面等离子体的效率较低，限制了整个手性调制器的工作效率。并且，圆偏振光通过矩形金属狭缝会损失入射光原有的偏振态。

[1]Cong L,Xu N,Han J,et al.A Tunable Dispersion‐Free Terahertz Metadevice with Pancharatnam–Berry‐Phase‐Enabled Modulation and Polarization Control[J].Advanced Materials,2015,27(42):6630-6636.

[2]Zhang S,Zhou J,Park Y S,et al.Photoinduced handedness switching in terahertz chiral metamolecules[J].Nature communications,2012,3:942.

[3]Zhou J,Chowdhury D R,Zhao R,et al.Terahertz chiral metamaterials with giant and dynamically tunable optical activity[J].Physical Review B,2012,86(3):035448.

[4]Wu D,Fang N,Sun C,et al.Terahertz plasmonic high pass filter[J].Applied Physics Letters,2003,83(1):201-203.