前沿进展|砷化镓超表面产生太赫兹脉冲

01 导读（更正内容见评论区）

近日，南加州大学电子与计算机工程学院Khajavikhan教授课题组提出了通过异常状态的转移实现激光腔中的拓扑模式的技术。该研究成果“Topological modes in a laser cavity through exceptional state transfer”发表于Science。2022 | 前沿进展

02 研究背景

利用飞秒脉冲对材料进行快速光激发可以产生太赫兹（THz）脉冲，这一效应使太赫兹时域光谱学领域得以发展，并发现了太赫兹产生的许多物理机制。然而只有少数材料能够有效地产生THz脉冲。光学超表面是由一系列人工设计的亚波长结构组成的平面结构，可以放宽对材料的要求，将重点转移到局部电磁场工程上，以提高太赫兹的产生概率。

图1 GaAs超表面中太赫兹脉冲的产生示意图

03 研究创新点

为了确定表面非线性在太赫兹脉冲产生中能起作用，研究人员首先检测了一个简单的光学薄层GaAs的THz脉冲产生，如图2所示。在100 fs光脉冲的激发，研究人员发现：1）GaAs层产生的太赫兹不随层厚的变化而变化，表明表面效应的存在；2）产生的太赫兹场强烈依赖于激发偏振，说明光学非线性是THz脉冲产生的根本原因。

图2 薄GaAs层中太赫兹脉冲的产生。(a) 实验系统原理图 (b) 数值计算数值计算了在入射波长为780 nm(归一化到入射光强)时，厚度为55 nm和275 nm的GaAs层内部的电场强度(E2)。(c) 数值计算了GaAs层的总吸收随层厚的变化。(d) THz脉冲峰振幅与激发偏振角的关系图。

研究人员开发了一种厚度为160 nm的GaAs超表面设计，在780 nm完全吸收了s偏振激发，并增强了p偏振激发的吸收（约60%），如图3所示。实验获得了两个值得注意的观察结果：1）与相同厚度的无图案GaAs层相比，光激发的超表面发出的THz脉冲具有显著更高的振幅；2）THz脉冲的偏振与从无图案GaAs层发出来的偏振相反。

图3 （a）在超表面（MSs）的样品中，不同位置激发产生的太赫兹场。当超表面在中心被激发时，THz产生增强。（b）MS中s偏振激发（黑色，比例为2），p偏振激发（红色）以及GaAs晶体THz脉冲的时域波形。（c）MS和厚GaAs晶体p偏振激发的太赫兹脉冲的傅里叶振幅。

接下来，研究人员解决了超表面THz脉冲产生过程中的非线性的起源问题：它是在超表面体内还是在表面上？

研究人员评估由于超表面体积内的二阶非线性引起的诱导太赫兹场的偏振相关性如图4所示，并将其与实验观测结果如图3所示，进行比较。研究人员认为，虽然光电流和移位电流被认为是厚GaAs中主要的太赫兹产生机制，GaAs超表面所观察到的增强的THz脉冲需要第三种机制，研究人员将其定义为表面的移位电流。

图3 辐射太赫兹场的偏振依赖性。

图4 （a）超表面体内（红色）以及GaAs层内（黑色）由于MS体内二阶非线性效应产生的THz脉冲的偏振依赖性的数值计算结果。（b）旋转90°的样品的场振幅的计算值。

04 总结与展望

研究人员首次演示了全介电超表面THz脉冲的产生，证明了超薄GaAs超表面可以产生与晶体相媲美的太赫兹脉冲，但其偏振依赖于激发偏振。超薄半导体超表面THz发射体有望通过设计超过体积半导体的THz产生效率，并允许控制发射的THz的振幅和相位。该工作为实现高效率、定制化和可重构的太赫兹超表面奠定了基础。

论文链接：

http://doi.org/10.1021/acsphotonics.1c01908

科学编辑 | 黄蕊

编辑 | 金梦菲菲

END

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