Generation of spatiotemporally tailored terahertz wavepackets by nonlinear metasurfaces

Shay Keren-Zur, Mai Tal, Sharly Fleischer, Daniel M. Mittleman & Tal Ellenbogen

-- ||导读|| --

开口谐振环构成的非线性超表面近几年来由于其较高的非线性转化效率和波前可调性被广泛研究，近期Shay Keren-Zur等人于4.16在NATURE COMMUNICATIONS上发表了相关文章，将非线性超表面应用于产生太赫兹波包并和传统的非线性材料进行了对比，文章也包括其他非线性光子晶体的研究。

-- ||背景介绍|| --

太赫兹（THz）光谱带（1011-1013Hz）位于红外和微波之间。太赫兹波的产生和探测是人们非常需要的，因为它可以探测甚至调控低能量自由度，如分子中的旋转、分子晶体中的共振、半导体中的激子等等。由于许多材料对太赫兹辐射都是透明的，因此它也是通过光学不透明样品进行高分辨成像和光谱分析的绝佳工具。此外单周期太赫兹脉冲还可以进行时间分辨成像和深度分辨断层扫描，可用于重要的生物医学和安全应用。然而，由于缺乏有效生成、检测和调控太赫兹波的简单方法，太赫兹波的实际应用受到阻碍。最近的研究表明，均匀的非线性超表面（Nonlinear metasurface, NLMS）可以有效地产生宽带单周期太赫兹脉冲。

-- ||创新与结论|| --

来自以色列特拉维夫大学的研究团队展示了一种包含超表面的单发射器，可以对发射的太赫兹波包的时空特性进行前所未有的调控。实验证实了时空四极子的传播以及设计好角度色散的太赫兹脉冲的产生。这种非线性超表面可以取代太赫兹生成系统中的传统非线性晶体，在不牺牲效率的情况下提供新的功能，避免声子相互作用或相位不匹配的情况，并可能获得更大的太赫兹带宽。这种前所未有的功能克服了传统太赫兹生成和调控方案的一些局限性，为先进的太赫兹技术奠定了基础，例如光束多路复用、结构光太赫兹成像、单次射线光谱、太赫兹全息、粒子操纵和结构化太赫兹光物质相互作用等等。它还可以用于研究时空受限的结构场，例如所谓的飞行电磁环以及太赫兹贝塞尔光束和携带轨道角动量的脉冲。

-- ||图文一览|| --

图一 超表面结构图。

（a） 开口谐振环（SRR）的结构，非线性超表面（NLMS）的基本单元。

（b） 制造的SRR的扫描电子显微镜图像。比例尺为200nm。

（c） 水平和垂直偏振的透射谱（相对于a中的SRR方向），水平偏振在1500nm附近的透射率下降，其与SRR的磁共振相关。

（d） SRR中激发的线性和非线性电流的图示。沿x轴偏振的近红外（NIR）脉冲（蓝色）激发激发沿SRR的表面电流，沿着y轴方向的SRR的臂产生非线性电流（绿色）

小结：开口谐振环因其非线性特性广泛用于非线性领域。

图二 均匀非线性超表面（NLMS）发射的太赫兹波

（a） 实验装置。 Ti：Sapp放大钛蓝宝石激光器，OPA光学参量放大器，PTFE特氟龙滤波器，DL延迟线。 ZnTe 0.5mm ZnTe（110切）晶体，λ/ 4四分之一波片，WP Wollaston棱镜，BPD平衡光电二极管。

（b） 在相同激发条件下，从NLMS（红线）和0.1mm ZnTe（110切割）晶体（蓝线）发射的太赫兹（THz）脉冲的时域光谱（TDS）信号。 从ZnTe发射的单周期脉冲之后的波纹是由于ZnTe晶体中的声子吸收。

（c） 来自均匀NLMS和ZnTe的发射光谱。

（d） 从NLMS发射的THz脉冲的时空测量，在时域中绘制。光束中心的时间横截面以红色显示。

（e） d中测量的频域表示。虚线表示从1mm宽发射器发射的光束的预期频率相关衍射轮廓。

小结：对比了设计的非线性超表面和传统非线性晶体的非线性转化效率和传输谱，在效率差不多的同时保证了较高的透过率，由于非线性超表面没有声子相互作用的干扰和相位匹配条件的约束，其性能优于传统器件。

图三 生成单周期Hermite-Gauss波包

（a） 用于产生厄米-高斯（1,0）（HG 10）单周期太赫兹光束的非线性超表面（NLMS）结构。箭头表示开口环谐振器的方向。NLMS中心的扫描电子显微镜图像显示在放大的图片中。比例尺为1μm。

（b） 从NLMS发射的单周期HG 10光束的时空曲线。沿着虚线的空间场轮廓以红色绘制。±符号标记在xz平面上形成的时空四极结构的波瓣。

小结：利用开口谐振环翻转结构不对称性产生的pi的相位设计的超表面，在实验上产生了电场分布的翻转，证实了这一点。

图四 非线性超材料光子晶体（NLMPC）产生的太赫兹波

（a） 制造的NLMPC的结构。 箭头表示开口环谐振器的方向，类似于图3a。

（b） 制作的NLMPC的反射图像。

（c） 模拟近红外脉冲正入射时来自NLMPC激发的THz波的时空曲线。

（d） c的频域空间轮廓。 虚线表示拉曼 - 纳斯衍射级。

（e） -（f）测量来自NLMPC的THz发射模式，具有不同的入射角激发的THz波的在时域中和f在频域中的曲线。虚线表示不同衍射级的计算拉曼 - 纳特关系。

小结：这里同样基于开口谐振环的相位翻转特性设计了拉曼奈斯光栅，由于结构的数值孔径有限，观察不到高阶的衍射角，这里将入射光斜入射来解决这一问题，观察到了明显的衍射极。

-- ||点评|| --

  文章设计基本和NATURE PHOTONICS的设计一样，有着相同的功能，但是将非线性超表面引入到太赫兹领域，超表面超材料的特殊光学性质可以扩展太赫兹的各种应用。虽然文章没有相关的仿真结果，但是还是值得学习，拓宽了非线性超表面的应用领域。

https://doi.org/10.1038/s41467-019-09811-9

报告人：冯兴  时间：2019.4.22