智能太赫兹器件：可光控的超材料透明效应

来自：郑鑫 爱光学

Hao Sun, Yuhua Tang, Yuze Hu, Jie You, Hengzhu Liu, Xin Zheng. Active formatting modulation of electromagnetically induced transparency in metamaterials[J]. Chinese Optics Letters, 2020, 18(9): 092402

太赫兹（THz）波为介于微波与红外光之间、频率位于 0.1 THz 到 10 THz 之间的电磁波，具有穿透性强和大带宽等特点。开发调制范围大、速度快的太赫兹元器件对促进太赫兹技术的发展具有十分重要的意义。

在光与物质相互作用中，当光足够强且同时满足其他条件时，介质的折射率有可能为零，即实现介质的完全透明，该现象被称为电磁感应透明（EIT）。

太赫兹超材料中的类电磁感应透明(EIT)效应也是一种对太赫兹电磁场调制实现的特殊电磁现象。超材料中存在的超辐射(亮模式)和亚辐射(暗模式)模式能够发生强烈的干涉，从而形成高Q值的透明窗口，使穿透过的电磁波在一定的频谱范围内具有高透明、低损耗、强色散的传播特性。相较于传统EIT，太赫兹类EIT效应在慢光技术、光存储、生物传感等领域有广泛的应用。

迄今为止，大部分的超材料在加工完成后无法对电磁波的调制特性进行调整。然而，包括自由空间光通信、深度传感在内的众多应用，对超材料类电磁感应透明进行多样化的动态调控都有着迫切的需求。

(a) 变泵浦功率条件下实验测量超材料器件得到的透射光谱。(b)类 EIT效应主动形成过程的伪彩色图。

针对上述问题，国防科技大学的孙豪、胡瑜泽和唐玉华研究员等人在Chinese Optics Letters第18卷第9期发表的工作中通过引入主动可控材料，展示了太赫兹频域内超材料类 EIT 效应的主动形成过程，为研制高性能光控太赫兹功能器件提供了可行方案（H. Sun, et al., Active Formatting Modulation of Electromagnetically Induced Transparency in Metamaterials）。

在此超材料的设计中，切割线谐振器（SCW）与开环谐振器（SRR）分别实现了亮模式与暗模式的电磁场谐振，而两种模式的干涉实现了类 EIT 效应。通过将硅半导体层嵌入到SCW 中，实现了对亮模式的主动光控，进而成功实现了类 EIT 效应的主动形成过程。

实验结果表明，随着波长为 800 nm 的泵浦光的引入，原本 0.87 THz 处的透射谷受到了抑制。随着泵浦光功率的增加，更多激发出的光生载流子将 SCW 导通，亮模式及其与暗模式之间的干涉得以实现，并在 0.89 THz 处实现了类EIT 透明窗口，并伴随显著的慢光效应。使用光泵浦太赫兹探测技术研究该现象的动力学过程，类 EIT 现象的主动形成过程能够在皮秒时间尺度内完成。

后续的工作可以进一步探究类 EIT 效应的各向异性的形成过程与抑制过程的主动调制。使用超材料实现对类 EIT 效应的主动调控不仅仅局限于太赫兹范围，对于从红外到微波的光学应用，譬如多波段传感、超宽带无线通信以及非线性光学等也具有重要借鉴意义。

国防科技创新研究院的郑鑫副研究员认为，相比之前的工作主要关注类 EIT效应的抑制过程，该工作首次展示了类 EIT效应的主动形成过程，对于无线光通信的发展具有很大意义。

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Zhengyang Bai, Qi Zhang, Guoxiang Huang. Nonlinear polaritons in metamaterials with plasmon-induced transparency [Invited][J]. Chinese Optics Letters, 2019, 17(1): 012501