铌酸锂芯片上的太赫兹集成和时空超分辨成像

张琦; 吴强; 张斌; 潘崇佩; 王日德; 卢瑶; 齐继伟; 许京军

doi:doi:10.3788/CJL201946.0508003

中国激光, 2019, 46 (5): 0508003, 网络出版: 2019-11-11

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Terahertz Integration and Spatio-Temporal Super-Resolution Imaging on LiNbO₃ Chip

论文大纲

张琦 ¹吴强 ^1,*张斌 ²潘崇佩 ¹王日德 ¹卢瑶 ¹齐继伟 ¹许京军 ¹

作者单位

¹ 南开大学物理科学学院泰达应用物理研究院弱光非线性光子学教育部重点实验室, 天津 300457

² 中国民航大学理学院, 天津 300300

太赫兹铌酸锂时空超分辨成像声子极化激元微腔超材料 terahertz LiNbO3 spatio-temporal super-resolution imaging phonon polariton microcavity metamaterials

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摘要

飞秒激光与铁电晶体铌酸锂作用可以激发出太赫兹波段的声子极化激元。当铌酸锂的厚度减小至亚波长量级时,晶片就成为一个将太赫兹波产生、传输、调控、探测、与物质或微结构相互作用等过程集于一体的集成化芯片,为太赫兹波的研究和应用提供了平台。同时,利用时空超分辨成像技术可以对芯片中太赫兹波的传输以及与微结构作用过程进行可视化和定量分析。回顾了一些基于铌酸锂芯片的工作,比如太赫兹波传输特性的研究、频率可调谐太赫兹波源的产生、微结构对太赫兹波的调控等,这些工作说明亚波长铌酸锂芯片是一个很有前途的太赫兹集成器件。

Abstract

Terahertz phonon polaritons can be generated in ferroelectric crystal LiNbO₃ using femtosecond laser pulses. When the crystal thickness becomes comparable with or less than the terahertz wavelength, LiNbO₃ functions as an integrated chip that integrates the processes of generation, propagation, control, and detection of terahertz wave and its interaction with materials or microstructures. This provides a platform for the research and applications of terahertz waves. Moreover, by using the spatio-temporal super-resolution imaging technology, the transmission in the chip and interaction of terahertz waves with microstructures can be visualized and quantitatively analyzed. This paper reviews some works on the LiNbO₃ chip, such as the research on terahertz propagation characteristics, generation of frequency-tunable terahertz sources, and terahertz modulation using microstructures. These results demonstrate that the subwavelength LiNbO₃ chip is a promising terahertz integrated device.

1 引言

太赫兹波是指频率在0.1 THz到10 THz之间的电磁波。近年来,由于太赫兹波在分子调控^[1-2]、光谱学^[3-4]、超导体^[5-6]等领域,以及物质鉴别^[7-8]、高分辨率成像^[8-9]和无线通信^[10-11]等应用上的独特优势,科学家们将目光转移到太赫兹波段,并在寻找有效、实用的太赫兹波源和太赫兹探测器的研究上取得了一定进展^[12-17]。建立一个微型化的太赫兹集成平台,将太赫兹的激发、传输、调控、探测等过程集成到一个微型元件上,是太赫兹器件实用化的一个重要环节^[18-20]。铌酸锂亚波长晶片被认为是一种具有上述功能的太赫兹集成化芯片^[18],晶片中的太赫兹波来源于离子晶体,尤其是铁电晶体(例如铌酸锂、钽酸锂等)中广泛存在的太赫兹波段的声子极化激元^[21-22]。20世纪80年代,贝尔实验室的科学家们首次使用飞秒激光在铁电晶体中成功激发出了声子极化激元^[23]。到目前为止,研究人员已利用飞秒激光在铌酸锂太赫兹光学芯片上进行了太赫兹波产生^[24-26]、传输^[22,27]、调控^[28-31]、探测^[32-34]、与物质或微结构相互作用^[35-36]等方面的工作。基于铌酸锂芯片的集成平台具有非常多的功能,例如:1)通过调整抽运激光的脉冲形态和激发方式,获得不同中心频率和带宽的太赫兹波源,方便后续的研究和利用;2)基于铌酸锂的电光效应,利用时空超分辨成像将太赫兹波的传输过程、与微结构或物质相互作用的过程实时记录下来,有助于太赫兹波的瞬态研究;3)通过在铌酸锂芯片上设计微结构,实现对芯片中太赫兹波的调控,进一步促进铌酸锂芯片的应用。

本综述从上述三点入手,对亚波长铌酸锂芯片的功能进行详细介绍。

2 声子极化激元的基本物理概念

在量子物理中,晶格振动产生的格波的能量是可以量子化的,它的能量子称为声子。由于晶格振动有声频支和光频支两种模式,所以相应的就有两种声子——声学声子和光学声子。值得注意的是光学声子中的横光学声子,当光波照射在晶体表面上时,由于光是横波,会在晶体内产生横向电磁场,对光频支横波产生影响。当光子的频率与横光学声子的频率非常接近时,二者就会发生强烈的耦合作用,产生声子极化激元,即光子与横光学声子耦合的量子。黄昆先生关于极化激元的工作具有开创性和里程碑意义^[37]。1951年,黄昆先生在《论辐射场和离子晶体间的相互作用》一文中首次预言了声子极化激元的存在,并提出了著名的黄昆方程^[38-39]。1958年,物理学家Hopfield研究光子与激子相互耦合时对极化激元进行了命名^[40]。1965年,物理学家Henry和Hopfield在做半导体材料磷化镓的拉曼散射实验时首次观察到声子极化激元^[41]。1984年,贝尔实验室的科研人员利用飞秒激光脉冲在铁电晶体材料中成功地激发出了瞬态太赫兹电响应^[23],也就是现在所说的太赫兹声子极化激元。之后声子极化激元的研究受到了科研工作者的广泛关注,并得到了快速发展。

下面将简单介绍声子极化激元的理论。以麦克斯韦方程组作为理论基础来推导太赫兹声子极化激元的宏观传输特点^[42-43],结合黄昆方程,声子极化激元的波动方程可总结为

\frac{d^{2} Q}{d t^{2}} + Γ \frac{d Q}{d t} - b_{11} Q = b_{12} E, (1)

\begin{matrix} \nabla^{2} A - \frac{1}{c^{2} / ε_{ω \to \infty}} \frac{d^{2} A}{d t^{2}} = - μ_{0} ω_{TO} \sqrt[]{ε_{0} (ε_{ω \to 0} - ε_{ω \to \infty})} \frac{d Q}{d t}, (2) \end{matrix}

式中:Q为描述长光学波运动的宏观量,它正比于正负离子位移之差;E为宏观电场;系数b₁₁和b₁₂分别为与物质性质和单轴晶体光轴方向相关的常数;Γ为阻尼项;ε₀和μ₀分别为对应自由空间的介电常数和磁导率;c为真空中的光速;ε_ω_→0和 $\begin{matrix} ε_{ω \to \infty} \end{matrix}$ 分别为低频和高频极限下晶体的相对介电常数;ω_TO为横光学声子的角频率;A为矢势,并且在非磁性材料中有μ₀H=Ñ×A。根据(1)~(2)式并忽略阻尼项,可以得到铁电晶体铌酸锂中声子极化激元的色散曲线,如图1所示。其中,实线是声子极化激元的两支,ν_TO和ν_LO分别是横向和纵向光学声子模式的共振频率,两条虚线分别表示高频(波速c/ $\begin{matrix} \sqrt[]{ε_{ω \to \infty}} \end{matrix}$ )和低频(波速c/ $\begin{matrix} \sqrt[]{ε_{ω \to 0}} \end{matrix}$ )极限下的光学色散。由图1可知,声子极化激元的频率在太赫兹波段,并且当频率较低(小于3 THz)时,声子极化激元的光学特性表现得更明显。

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1 引言

2 声子极化激元的基本物理概念

图 1. 铌酸锂中声子极化激元的色散曲线

Fig. 1. Dispersion curves of phonon polariton in LiNbO3

图 2. 飞秒激光脉冲在铌酸锂中形成的切连科夫辐射[34]

Fig. 2. Cherenkov radiation in LiNbO3 generated by femtosecond laser pulse[34]

图 3. 模拟得到的不同厚度铌酸锂晶体中太赫兹电场强度分布图

Fig. 3. Simulated terahertz electric field intensity distributions in LiNbO3 crystals with different thicknesses

3 铌酸锂芯片中太赫兹波的激发、探测和传输

3.1 太赫兹波的激发

图 4. 铌酸锂晶体中抽运-探测过程示意图[34]

Fig. 4. Schematic of pump-probe process in LiNbO3 crystal[34]

图 5. 太赫兹声子极化激元抽运-探测系统示意图[34]

Fig. 5. Schematic of pump-probe system of terahertz phonon polariton[34]

图 6. 不同时刻倾斜波前与铌酸锂芯片交点的移动。(a)波前到达芯片;(b)波前进入芯片;(c)波前即将离开芯片

Fig. 6. Moving intersection of tilted wavefront with LiNbO3 chip at different moments. (a) Wavefront reaching chip; (b) wavefront entering chip; (c) wavefront leaving chip

3.2 铌酸锂芯片中太赫兹波的时空超分辨成像

图 7. 相衬成像示意图

Fig. 7. Schematic of phase contrast imaging

图 8. 相衬成像的定量探测结果[32]。(a)太赫兹波在激发42 ps后的相衬成像图;(b)对应的电场信号

Fig. 8. Quantitative detection results by phase contrast imaging[32]. (a) Phase-contrast image of terahertz field after excitation of 42 ps; (b) corresponding electric field signal

图 9. 自补偿偏振门成像探测系统[27]

Fig. 9. Measurement system of self-compensating polarization gating imaging[27]

3.3 太赫兹波在铌酸锂芯片中的传输特性

图 10. 实验中太赫兹波的电场随空间-时间的演变和色散曲线[32]。(a)太赫兹波的时空分布图;(b)太赫兹波传播的色散曲线

Fig. 10. Spatio-temporal evolution of terahertz wave electric field and dispersion curves in experiments[32]. (a) Spatio-temporal distribution of terahertz wave; (b) dispersion curves for terahertz wave propagation

图 11. 不同传输方向太赫兹波的色散曲线[27]。(a) θ=20°;(b) θ=50°;(c) θ=70°;(d) θ=90°

Fig. 11. Dispersion curves of terahertz wave in different propagation directions[27].(a) θ=20°; (b) θ=50°; (c) θ=70°; (d) θ=90°

图 12. 太赫兹波在铌酸锂芯片中的有效折射率[27]。(a) θ=0°,有效相折射率;(b) θ=70°,有效相折射率;(c) θ=0°,有效群折射率;(d) θ=70°,有效群折射率

Fig. 12. Effective refractive indexes of terahertz waves in LiNbO3 chip[27]. (a) θ=0°, effective phase refractive index; (b) θ=70°, effective phase refractive index; (c) θ=0°, effective group refractive index; (d) θ=70°, effective group refractive index

4 构造微结构实现太赫兹调控

4.1 在铌酸锂芯片上构造微结构

图 13. 铌酸锂芯片上的功能结构。(a)偶极天线;(b)开口谐振环阵列;(c)倾斜波导;(d)光子晶体

Fig. 13. Functional structures on LiNbO3 chip. (a) Dipole antenna; (b) array of split ring resonators; (c) tilted waveguide; (d) photonic crystal

图 14. 飞秒激光直写加工平台示意图

Fig. 14. Schematic of machining platform for femtosecond laser direct writing

4.2 太赫兹波在矩形亚波长波导中的传输

图 15. 太赫兹波在矩形波导中传播的成像图和色散曲线[49]。(a)实验中的太赫兹波成像图; (b)线1的色散曲线; (c)线2的色散曲线

Fig. 15. Image and dispersion curves of terahertz wave propagating in rectangular waveguide[49].(a) Image of terahertz wave in experiment; (b) dispersion curves of line 1; (c) dispersion curves of line 2

4.3 太赫兹波与微腔结构的作用

图 16. 不同时间延迟Δt下法布里-珀罗谐振腔中太赫兹场的分布图[36]。(a) Δt=0 ps;(b) Δt=1.6 ps;(c) Δt =5.6 ps;(d) Δt=6.4 ps; (e) Δt =6.8 ps; (f) Δt=35.8 ps

Fig. 16. Terahertz field distributions in Fabry-Perot resonator at different time delays Δt[36]. (a) Δt=0 ps; (b) Δt=1.6 ps; (c) Δt=5.6 ps; (d) Δt=6.4 ps; (e) Δt=6.8 ps; (f) Δt=35.8 ps

图 17. 法布里-珀罗谐振腔的时空演化图和对应的傅里叶变换结果[36]。(a) x-t图;(b) x-f图

Fig. 17. Spatio-temporal evolution in Fabry-Perot resonator and its Fourier transform[36]. (a) x-t plot; (b) x-f plot

4.4 利用表面金属结构调控太赫兹波

图 18. 尖端天线的示意图以及实验和模拟结果[29]。(a)实验示意图;(b)缝隙处信号与参考值之比; (c)不同频率太赫兹场强在y方向的分布

Fig. 18. Schematic, experimental and simulated results of antennas with tips[29]. (a) Schematic of experiment; (b) ratio of gap signal to reference value; (c) intensity distributions of terahertz fields with different frequencies in y direction

图 19. 表面镀有金属条阵列的铌酸锂芯片示意图及太赫兹波的空间-时间分布图和傅里叶频谱[30]。(a)实验示意图; (b) x-t图; (c)透射和反射的频谱

Fig. 19. Schematic of LiNbO3 chip with surfaced metamaterial structure, spatio-temporal evolution and Fourier spectra of terahertz wave[30]. (a) Schematic of experiment; (b) x-t plot; (c) transmitted and reflected spectra

图 20. 超表面天线的实验结果[31]。(a)结构的示意图;(b)空间-时间分布图;(c)色散曲线

Fig. 20. Experimental results of metasurface antenna[31]. (a) Structural diagram; (b) spatio-temporal evolution; (c) dispersion curves

5 结束语

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Fig. 1. Dispersion curves of phonon polariton in LiNbO₃

图 2. 飞秒激光脉冲在铌酸锂中形成的切连科夫辐射^[34]

Fig. 2. Cherenkov radiation in LiNbO₃ generated by femtosecond laser pulse^[34]

Fig. 3. Simulated terahertz electric field intensity distributions in LiNbO₃ crystals with different thicknesses

图 4. 铌酸锂晶体中抽运-探测过程示意图^[34]

Fig. 4. Schematic of pump-probe process in LiNbO₃ crystal^[34]

图 5. 太赫兹声子极化激元抽运-探测系统示意图^[34]

Fig. 5. Schematic of pump-probe system of terahertz phonon polariton^[34]

Fig. 6. Moving intersection of tilted wavefront with LiNbO₃ chip at different moments. (a) Wavefront reaching chip; (b) wavefront entering chip; (c) wavefront leaving chip

图 8. 相衬成像的定量探测结果^[32]。(a)太赫兹波在激发42 ps后的相衬成像图;(b)对应的电场信号

Fig. 8. Quantitative detection results by phase contrast imaging^[32]. (a) Phase-contrast image of terahertz field after excitation of 42 ps; (b) corresponding electric field signal

图 9. 自补偿偏振门成像探测系统^[27]

Fig. 9. Measurement system of self-compensating polarization gating imaging^[27]

图 10. 实验中太赫兹波的电场随空间-时间的演变和色散曲线^[32]。(a)太赫兹波的时空分布图;(b)太赫兹波传播的色散曲线

Fig. 10. Spatio-temporal evolution of terahertz wave electric field and dispersion curves in experiments^[32]. (a) Spatio-temporal distribution of terahertz wave; (b) dispersion curves for terahertz wave propagation

图 11. 不同传输方向太赫兹波的色散曲线^[27]。(a) θ=20°;(b) θ=50°;(c) θ=70°;(d) θ=90°

Fig. 11. Dispersion curves of terahertz wave in different propagation directions^[27].(a) θ=20°; (b) θ=50°; (c) θ=70°; (d) θ=90°

图 12. 太赫兹波在铌酸锂芯片中的有效折射率^[27]。(a) θ=0°,有效相折射率;(b) θ=70°,有效相折射率;(c) θ=0°,有效群折射率;(d) θ=70°,有效群折射率

Fig. 12. Effective refractive indexes of terahertz waves in LiNbO₃chip^[27]. (a) θ=0°, effective phase refractive index; (b) θ=70°, effective phase refractive index; (c) θ=0°, effective group refractive index; (d) θ=70°, effective group refractive index

Fig. 13. Functional structures on LiNbO₃ chip. (a) Dipole antenna; (b) array of split ring resonators; (c) tilted waveguide; (d) photonic crystal

图 15. 太赫兹波在矩形波导中传播的成像图和色散曲线^[49]。(a)实验中的太赫兹波成像图; (b)线1的色散曲线; (c)线2的色散曲线

Fig. 15. Image and dispersion curves of terahertz wave propagating in rectangular waveguide^[49].(a) Image of terahertz wave in experiment; (b) dispersion curves of line 1; (c) dispersion curves of line 2

图 16. 不同时间延迟Δt下法布里-珀罗谐振腔中太赫兹场的分布图^[36]。(a) Δt=0 ps;(b) Δt=1.6 ps;(c) Δt =5.6 ps;(d) Δt=6.4 ps; (e) Δt =6.8 ps; (f) Δt=35.8 ps

Fig. 16. Terahertz field distributions in Fabry-Perot resonator at different time delays Δt^[36]. (a) Δt=0 ps; (b) Δt=1.6 ps; (c) Δt=5.6 ps; (d) Δt=6.4 ps; (e) Δt=6.8 ps; (f) Δt=35.8 ps

图 17. 法布里-珀罗谐振腔的时空演化图和对应的傅里叶变换结果^[36]。(a) x-t图;(b) x-f图

Fig. 17. Spatio-temporal evolution in Fabry-Perot resonator and its Fourier transform^[36]. (a) x-t plot; (b) x-f plot

图 18. 尖端天线的示意图以及实验和模拟结果^[29]。(a)实验示意图;(b)缝隙处信号与参考值之比; (c)不同频率太赫兹场强在y方向的分布

Fig. 18. Schematic, experimental and simulated results of antennas with tips^[29]. (a) Schematic of experiment; (b) ratio of gap signal to reference value; (c) intensity distributions of terahertz fields with different frequencies in y direction

图 19. 表面镀有金属条阵列的铌酸锂芯片示意图及太赫兹波的空间-时间分布图和傅里叶频谱^[30]。(a)实验示意图; (b) x-t图; (c)透射和反射的频谱

Fig. 19. Schematic of LiNbO₃ chip with surfaced metamaterial structure, spatio-temporal evolution and Fourier spectra of terahertz wave^[30]. (a) Schematic of experiment; (b) x-t plot; (c) transmitted and reflected spectra

图 20. 超表面天线的实验结果^[31]。(a)结构的示意图;(b)空间-时间分布图;(c)色散曲线

Fig. 20. Experimental results of metasurface antenna^[31]. (a) Structural diagram; (b) spatio-temporal evolution; (c) dispersion curves