CN115441297A - 增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置、其制备及增强方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置，所述增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置包括自下而上依次设置的衬底、非线性单晶薄膜和低折射率超表面结构。还提供了其制备及增强方法，本发明的太赫兹源装置具有以下优势：一是太赫兹产生于非线性晶体薄膜，短的有效长度避免了相位匹配的限制，可以产生宽带太赫兹辐射；二是通过图案化低折射率材料，增强泵浦光于非线性薄膜的相互作用，增强太赫兹辐射效率；三十基于超表面调制光场的能力，该方案对泵浦光的波长没有选择性。基于以上特点，该方案可以提供一种便于集成的紧凑型宽带高效太赫兹源，具有应用价值。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹辐射源装置技术领域，具体涉及一种增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置、其制备及增强方法。
背景技术
赫兹波的位置处于微波和光频的过渡区，其频率在0.1～10THz(THz＝1012Hz)之间，由于太赫兹波有高效的背景发射噪声抑制功能，很好的时间和空间相干性，较低的光子能量，超大的传输容量以及超强的穿透能力，且许多材料的基本共振均位于该频带内，宽带太赫兹源在通信、生物传感、成像、非接触无损检测以及材料光谱分析等应用领域具有广阔的应用前景。基于光整流效应，利用超快激光泵浦块状非线性晶体是实验中产生太赫兹的常用手段。但是由于非线性晶体在光波段和太赫兹波段存在色散，泵浦光和太赫兹波会发生相位失配现象，从而限制了太赫兹辐射的带宽。
超表面作为一种周期性人工结构，可以在亚波尺度增强光与物质的相互作用。由于显著的局域场增强和短的有效作用长度，相位匹配条件的影响变得可以被忽略，超表面可以极大地增强非线性光学过程。基于以上特点，非线性等离子体超表面已被证明可以产生宽带太赫兹辐射。然而，等离激元纳米结构具有大欧姆损耗、损伤阈值低等特点，阻碍了太赫兹辐射的转换效率，因此无法作为高效太赫兹源。近年来随着，随着半导体技术的发展，多种高质量单晶薄膜逐渐被开发出来，薄膜的厚度可以达到亚微米范围内，甚至可以小于泵浦光的波长。当这些薄膜中发生非线性过程时，由于作用长度的降低，相位匹配条件的影响大大减弱，可以作为宽带太赫兹源。同时，铌酸锂等晶体薄膜不仅具有较高得损伤阈值，且有优异的非线性性能，铌酸锂超表面将是开发宽带高效太赫兹源的优异平台。但是，非线性晶体的大规模高精度制备十分困难，限制了其在微纳光子学中的应用。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置、其制备及增强方法。本发明提供了一种紧凑型的高效太赫兹，以解决现有太赫兹源效率低，集成度低的应用问题。
在阐述本发明内容之前，定义本文中所使用的术语如下：
术语“低折射率”是指：折射率在2.0以下且低于非线性薄膜材料。
术语“本征模式”是指：某种周期性结构所支持的固有电磁模式。
术语“品质因子”是指：振子的共振频率相对于带宽的大小，用Q表示。
术语“BICs”是指：连续域中束缚态转变。
术语“Q-BICs”是指：准连续域中束缚态。
术语“PMMA”是指：聚甲基丙烯酸甲酯。
术语“ZEP”是指：苯乙烯甲基丙烯酸酯基的电子束正胶。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置，所述增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置包括自下而上依次设置的衬底、非线性单晶薄膜和低折射率超表面结构；其中，
所述低折射率超表面结构为低折射率薄膜层，且具有纳米结构单元；
优选地，所述低折射率薄膜层的折射率为1.45～2.0，更优选为1.45～1.7，最优选为1.45。
根据本发明第一方面的增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置，其中，
所述衬底选自以下一种或多种：石英、蓝宝石、氟化钙，最优选为石英；
所述非线性单晶薄膜的材料选自以下一种或多种：铌酸锂、磷化镓、非晶硅、磷化铟、氮化镓、砷化镓、氧化锌，优选选自以下一种或多种：铌酸锂、磷化镓、非晶硅、砷化镓、氧化锌，更优选为铌酸锂或磷化镓；和/或
所述低折射率薄膜层的材料选自以下一种或多种：光刻胶、氧化硅、氟化钙、氮化硅，优选选自以下一种或多种：光刻胶、氧化硅、氟化钙。
根据本发明第一方面的增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置，其中，
所述非线性单晶薄膜的折射率大于所述低折射率薄膜层的折射率；和/或
所述非线性单晶薄膜和所述低折射率薄膜层的厚度均小于目标工作波长的一半。
根据本发明第一方面的增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置，其中，
所述纳米结构单元的几何结构选自以下一种或多种：矩形结构、三角形结构、圆形的柱或者孔结构、条形光栅结构；和/或
所述纳米结构单元通过引入缺陷，由连续域中束缚态变为准连续域连续域中束缚态；
优选地，所述缺陷为人为的几何缺陷或加工缺陷。
本发明的第二方面提供了制备第一方面所述的增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置的制备方法，所述方法包括：在衬底上自上而下依次制备非线性单晶薄膜和低折射率薄膜层，设计低折射率薄膜层的纳米结构单元，通过打破低折射率薄膜层的纳米结构单元的空间对称性，增强太赫兹辐射，即得所述增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置。
根据本发明第二方面的制备方法，其中，所述方法包括以下步骤：
(1)在衬底上制备非线性单晶薄膜；
(2)在步骤(1)制备的非线性单晶薄膜上制备低折射率薄膜层；
(3)设计低折射率薄膜层的纳米结构单元；
(4)设定目标工作波长，确定低折射率薄膜层的纳米结构单元的几何结构；和
(5)打破低折射率薄膜层的纳米结构单元的空间对称性，增强太赫兹辐射，得到所述增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置；
优选地，所述步骤(1)中：所述非线性单晶薄膜的制备方法选自以下一种或多种：MOCVD外延法，离子注入切割法、离子束减薄法；和/或
优选地，所述步骤(2)中：所述低折射率薄膜层的制备方法选自以下一种或多种：电子束蒸发沉积、磁控溅射、化学气相沉积法。
根据本发明第二方面的制备方法，其中，所述步骤(3)中还包括：在设计低折射率薄膜层的纳米结构单元后，还需求解所述纳米结构单元支持的电磁本征模式与波矢的关系，计算出品质因子，计算公式如式(I)所示：
其中，Q为品质因子，Re(f)为复谐振频率的实部，Im(f)为复谐振频率的虚部；
优选地，Q值不小于106，更优选为不小于108，进一步优选为不小于1010；
优选地，所述本征模式与品质因子的计算方法选自以下一种或多种：时域有限差分法、有限元法、矩阵法、有限积分法。
根据本发明第二方面的制备方法，其中，所述步骤(4)中：
所述目标工作波长的波段选自以下一种或多种：可见光波段、近红外波段、中红外波段；优选为700nm～1600nm；更优选为700nm～900nm或1500nm～1600nm；和/或
所述纳米结构单元对在所述目标工作波长支持品质因子无限大的连续域中束缚态谐振模式。
根据本发明第二方面的制备方法，其中，所述步骤(5)中：所述打破低折射率薄膜层的纳米结构单元的空间对称性的方法为引入人为的几何缺陷或加工缺陷，优选选自以下一种或多种：改变周期性结构的周期、加工引起的尺寸误差、在结构设计中引入不对称缺口、将结构偏离单元结构的中心。
本发明的第三方面提供了一种增强太赫兹发射效率的方法，所述增强太赫兹发射效率的方法包括：通过第一方面所述的增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置或按照第二方面所述的方法制备的增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置发射太赫兹源；
优选地，所述太赫兹源通过打破纳米结构单元的空间对称性，使其支持的连续域中束缚态转变为准连续域中束缚态，将泵浦光局域到非线性单晶薄膜中，增强太赫兹发射效率；其中，所述准连续域中束缚态的纳米结构优选为波长700nm～1600nm；更优选为波长700nm～900nm或1500nm～1600nm。
根据本发明一个具体的实施例，本发明提供了一种利用介质超表面增强非线性薄膜太赫兹发射效率的方法，包括：
步骤S1、在石英衬底上制备第一层非线性晶体薄膜材料(折射率为n1)，并在所述第一层薄膜上制备第二层薄膜材料(折射率为n2)；
步骤S2、设计第二层薄膜的纳米结构，并求解其支持的电磁本征模与波矢K的关系。
步骤S3、设定目标工作波长，确定纳米结构单元的几何结构尺寸，其中，所述纳米结构单元对在所述目标工作波长支持品质因子(Q)无限大的连续域中束缚态(BICs)谐振模式；以及；
步骤S4、打破纳米结构的空间对称性，使其支持的连续域中束缚态转变为准连续域中束缚态(Q-BICs)。Q-BICs将泵浦光局域到第一层薄膜中，增强太赫兹辐射。
其中，第一层薄膜的折射率n1要大于第二层薄膜的折射率n2，第一层薄膜的厚度要小于所述波长的一半。
在所述步骤S3中，所述目标工作波长为可见光波段、近红外波段或中红外波段；所述计算Q值大于108。
在所述步骤S4中，通过在纳米结构中引入人为的几何缺陷或加工缺陷，将BICs转变为Q-BICs。引入缺陷后Q-BICs结构可以在一定的波长范围内将泵浦光局域到非线性晶体薄膜中。
本发明还提供了一种太赫兹源，超表面可以实现非线性薄膜太赫兹发射效率的增强，所述超表面是根据上述的方法而制得。
根据本发明另一个具体的实施例，本发明提供了一种太赫兹源的设计方案，其包括非线性薄膜与低折射率超表面结构，其中，所述超表面可以是根据前面描述的设计思路而获得的。
本发明基于非线性薄膜与低折射率超表面提供了一种在宽带范围内增强非线性薄膜太赫兹波转换功率的设计方法，通过低折射率薄膜引起的连续域束缚态模式实现了泵浦光在非线性薄膜中的局域，避免了对加工困难的非线性薄膜晶体的刻蚀，为实现宽带高效太赫兹辐射提供了可能。
本发明提供了一种利用介质超表面增强非线性薄膜宽带太赫兹发射效率的方法，涉及太赫兹辐射源装置技术领域，以解决现有太赫兹源效率低，集成度低的应用问题。超表面主要包括:(1)底层的石英衬底、中间非线性晶体薄膜，顶层低折射的介质超表面。本发明的主要优势包括：(1)太赫兹产生于非线性晶体薄膜，短的有效长度避免了相位匹配的限制，可以产生宽带太赫兹辐射。(2)通过图案化低折射率材料，增强泵浦光于非线性薄膜的相互作用，增强太赫兹辐射效率。(3)基于超表面调制光场的能力，该方案对泵浦光的波长没有选择性。基于以上特点，该方案可以提供一种便于集成的紧凑型宽带高效太赫兹源，具有应用价值。
与现有技术相比，本发明的增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置可以具有但不限于以下有益效果：
1、通过控制超表面的缺陷大小，可以实现最强太赫兹辐射频率的人工调制。
2、利用低折射率超表面引起的连续域束缚态模式，可以将泵浦光能量局域到非线性薄膜中，避免了对非线性晶体的直接加工。
3、利用灵活的超表面设计，其工作波段可以被灵活调整，对泵浦光的波长没有选择性，极大拓展使用场景。
4、本发明中提供的设计方案仅仅利用亚波长厚度的超表面就能大幅提高太赫兹发射效率，在保证带宽的同时压缩了太赫兹源的体积，加工获得的太赫兹源可为实现太赫兹***微小化提供可能。并且基于此思路，可以设计更多依赖于泵浦光局域能力的各种波长转换器件。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1示出了根据本申请一示例性实施例的高效太赫兹源设计方法的流程示意图。
图2示出了根据本申请一实施例的基于有限时域差分方法模拟的本征频率谱线，与品质因子大小；其中，图2a示出了超表面支持的本征频率随波矢k的变化；图2b示出了超表面支持的两种谐振模式的品质因子随波矢k的变化。
图3示出了根据本申请一实施例的支持BIC模式的超表面所选择的纳米单元结构示意图，以及支持Q-BIC模式所选择的纳米结构；其中，图3A示出了支持完美BIC模式的超表面结构示意图；图3B示出了支持Q-BIC模式的超表面结构的示意图；其中，l为结构边长；p为超表面周期；t1为低折射率材料的厚度；t2为铌酸锂厚度；l1，l2分别为人工缺陷的尺寸110nm，90nm。
图4示出了根据本申请一实施例的BIC超表面的纳米单元结构绕实现的非线性薄膜中的局域场增强；其中，图4A示出了支持完美BIC的结构的电场分布图；图4B示出了支持Q-BIC模式的超表面结构的电场分布图。
图5示出了根据本申请一实施例的宽带高效太赫兹源的时域光谱、频域光谱以及增强倍数；其中，图5A示出了铌酸锂薄膜和超表面发射太赫兹辐射的时域光谱；图5B示出了酸锂薄膜和超表面发射太赫兹辐射的频域光谱。
图6示出了本发明的增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置示意图。
附图标记说明：
1、衬底；2、非线性单晶薄膜；3、低折射率超表面结构。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的设计方法，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
具体实施方式
下面通过具体的实施例和附图进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例和附图仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。
本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
参照附图所述描述的实施例仅仅是一部分的示例性实施例，应当理解，也同样可以以其他形式实现本申请而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本申请方法和原理，并且能够将本申请方法的范围完整的传达给本领域的技术人员。除非另有限定，本文使用的科技术语具有与本领域技术人员通常理解的含义。
本发明的一个目的在于利用介质超表面在宽带范围内提高太赫兹辐射的转化效率。图1示出了本申请一实施例的介质超表面设计方法的流程示意图。
如图1所示，设计方法可始于步骤S1，在石英衬底上制备非线性单晶薄膜，并在其上沉积低折射率介质薄膜。在保证上层薄膜折射率低于非线性薄膜折射率且二者厚度小于泵浦光波长。
在一实施例中，结构可包括衬底、非线性薄膜和沉积在其上的纳米结构单元的阵列，其中，非线性晶体薄膜材料可以为铌酸锂、磷化镓、非晶硅、磷化铟、氮化镓、砷化镓、氧化锌、氮化硅等。纳米结构的材料可以是氧化硅、氟化钙等低折射率材料。
本申请一实施例使用放置在石英衬底上的X切向的单晶铌酸锂薄膜作为非线性晶体，以氧化硅为低折射率介质超表面。
在保证薄膜折射率特性与厚度的基础上，可以进行步骤S2，设计第二层薄膜的纳米结构，并求解其支持的电磁本征模与波矢K的关系。
为了实现本发明的目的，需要确定纳米结构单元的尺寸，为此，可例如改变结构的周期大小和尺寸求解其支持的本征模式对应的频率，并计算其对应的品质因子(Q)。所述本征模式是指某种周期性结构所支持的固有电磁模式。品质因子则是振子的共振频率相对于带宽的大小。当波矢k＝0时对应的本征频率对应于工作波段的频率，且品质因子为无限大时，超表面支持连续域中束缚态。
在一实施例中，对本征模式与品质因子的计算可基于时域有限差分法(FDTD)、有限元法、矩阵法或有限积分法进行。例如，可以以工作波长对应的频率为中心求解本征模式对应的频率。以特征频率和品质因子作为优化对象，通过调整单元结构的尺寸和周期的细微调整，确定尺寸与所支持模式的关系。
在仿真模拟的基础上，可以进行步骤S3，设定目标工作波长，确定纳米结构单元的几何结构尺寸，其中，所述纳米结构单元对在所述工作频率时对应谐振频率的品质因子应为无穷大。
图2是根据本申请一实施例的基于有限时域差分方法模拟的本征频率谱线，与品质因子大小。如图所示，结构所对应的两种本征模在K＝0时的频率与工作波长对应的频率相近，并且品质因子达到108，由于仿真精度的限制，计算的Q值通常为有限值，此时可以认为实际的Q值为无限大。
发明人发现，完美的BICs并不能增强太赫兹辐射，这主要是因为BICs无限的Q值所代表的无损耗特征说明其无法与外部电磁波耦合，因此无助于太赫兹发射的增强。在工作波长对应的频率附近还存在一的Q值逐渐降低的模式，表现为沿z轴(Pz)极化的电偶极子模式，但由于对称性约束，电偶极子模式几乎不能促进太赫兹辐射的产生。因此需要步骤S4.打破纳米结构的空间对称性，使其支持的连续域中束缚态转变为准连续域中束缚态(Q-BICs)。Q-BICs将泵浦光局域到第一层薄膜中，增强太赫兹辐射。
在一实施例中，还可以改变周期性结构的周期来实现Q值的调控，例如，将微纳结构稍稍偏离中心位置，打破其周期对称性，通过纳米结构偏离中心的距离，实现Q值的线性调控。
在一实施例中。加工引起的尺寸误差是引入缺陷的最简单方式，因此制备的超表面均支持Q-BICs。同样的，可以在结构设计中认为的引入不对称形缺口如，矩形，半圆、三角形等，制备Q值可调的支持Q-BICs的超表面。
图3是根据本申请一实施例的支持BIC模式的超表面所选择的纳米单元结构示意图，以及支持Q-BIC模式所选择的纳米结构。为了精确的控制Q-BICs的Q值，矩形的缺口被引入到正方形的纳米结构中，矩形缺口的大小与Q值成反比。如图所示，在本例中，超表面的具有周期P，正方形边长l，高度t2，以及矩形缺口边长l1,l2。本申请中，对称性破缺的结构为“L”形结构，其周期P为480nm，边长l为250nm，高度t2为200nm，矩形缺口边长l1和l2分别为110nm和90nm。
可以理解的是，正方形纳米结构，本发明可以选择其他结构的纳米结构单元，例如圆柱、光栅、圆孔、方孔等其它结构，其同样可通过在面内引入缺陷以及使纳米结构脱离其中心位置的方式调节超表面所支持谐振的Q值。
发明人发现，所设计超表面支持的本征模是对应的频率与周期相关，引入缺陷会引起超表面本质模式Q值的剧烈下降，而对其所对应的频率影响很小。例如，对于本示例而言，方块纳米结构支持的泵正模式在K＝0时对应的频率为375THz(800nm)，引入缺陷后对应的频率仍可认定为375THz。
在一实例中，针对于特定的太赫兹频率，可确定合适的品质因子，例如，本申请中所述太赫兹为宽带，需要在泵浦光的中心频率±10nm范围内产生场增强，应该选择该波长范围内平均场增强的最优值当作最终应用时超表面的品质因子。
图4是根据本申请一实施例的BICs与Q-BICs超表面的纳米单元结构绕实现的非线性薄膜中的局域场增强。如图所示，对于BICs超表面而言，由于其无损特性，无法与泵浦光耦合，也就是说无法将泵浦光能量局域到非线性薄膜中。对于Q-BICs而言，Q值的降低意味着谐振模式的耦合，在超表面的作用下，泵浦光被显著的局域到非线性薄膜中。与泵浦光电场相比，铌酸锂薄膜中电场强度最大被增加了11倍。
在本发明中，局域场增强指的是超表面结构诱导的非线性薄膜中的电场强度与泵浦光电场强度的比值。在太赫兹产生过程中，非线性薄膜内局域电场的强度与最终产生太赫兹辐射的强度息息相关。
图5是根据本申请一实施例的宽带高效太赫兹源的时域光谱、频域光谱以及增强倍数。采用脉宽为70fs，重频为80MHz，中心频率为800nm的脉冲光作为泵浦光。如图5所示，分别测试了裸的非线性晶体薄膜与超表面与非线性晶体薄膜发射的太赫兹辐射的时域信号。在超表面的作用下，时域信号振幅大幅提高。
经过简单的傅里叶变换，可以得到两种太赫兹源发射太赫兹的频域光谱，并比较不同频率太赫兹辐射的强度。如图6所示，在超表面的作用下，在0-5THz范围内太赫兹辐射强度均被显著的提高，
发明人发现，宽带范围内太赫兹辐射增强倍数并不是相同的，在本申请一实施例中，0.7THz处THz电场的增强倍数达到了17倍。
可以理解的是，通过调节缺陷的大小以及超表面的尺寸，可以实现最强太赫兹辐射频率的动态调节。
基于上述描述利用介质超表面增强非线性薄膜太赫兹发射性能技术，可以制备出具有宽带高效太赫兹源，其具有小于泵浦光波长的有效作用长度，弥补了传统太赫兹源工作带宽窄的问题。同时由于超表面能将泵浦光能量有效的局域到非线性薄膜中，可以实现较高的太赫兹转换效率。同时，由于超表面天然的紧凑性特点，这种太赫兹源十分便于集成。
实施例1
本实施例提供一种增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置的制备方法。
所述制备方法其包括以下步骤：
步骤S1、在石英衬底上制备两层薄膜，其中第一层为非线性单晶薄膜，第二层为低折射率薄膜层；
在本实施例中，非线性晶体薄膜为铌酸锂，厚度为360nm，第二层低折射率薄膜为氧化硅。离子注入技术和晶体键合技术相结合,将单晶铌酸锂薄膜放置到石英衬底上，之后利用化学气相沉积制备低折射率氧化硅薄膜。
步骤S2、设计第二层薄膜的纳米结构，并求解其支持的电磁本征模与波矢K的关系。
在本实施例中，超表面支持的本征模式分别为沿z方向的磁偶极子模式与沿x方向的电偶极子模式。如图2B所示，随着k逐渐变为0，两本征模式的频率逐渐接近。
步骤S3、设定目标工作波长，确定纳米结构单元的几何结构尺寸，其中，所述纳米结构单元对在所述目标工作波长支持品质因子无限大的连续域中束缚态(BICs)谐振模式。
在本实施例中，选择的泵浦光中心波长是近红外波段，具体为在800nm；基于模拟，选择了正方形纳米结构，其长度为l＝250nm，高度t2＝200nm。本示例中的纳米结构单元支持的本征模式在k＝0时支持的频率为375THz(800nm),此时本征模式的Q值大于108，如图2所示。
图2示出了根据本申请一实施例的基于有限时域差分方法模拟的本征频率谱线，与品质因子大小；其中，图2a示出了超表面支持的本征频率随波矢k的变化；图2b示出了超表面支持的两种谐振模式的品质因子随波矢k的变化。
步骤S4、打破纳米结构的空间对称性，使其支持的连续域中束缚态转变为准连续域中束缚态(Q-BICs)。Q-BICs将泵浦光局域到第一层薄膜中，增强太赫兹辐射。
图3示出了根据本申请一实施例的支持BIC模式的超表面所选择的纳米单元结构示意图，以及支持Q-BIC模式所选择的纳米结构；其中，图3A示出了支持完美BIC模式的超表面结构示意图；图3B示出了支持Q-BIC模式的超表面结构的示意图。
在本实施例中，选择如图3所示的矩形缺口打破结构对称性。矩形缺口的尺寸为l1＝110nm，l2＝90nm。此时，超表面所支持的BICs模式的Q值迅速下降，此模式可以与泵浦光耦合。
图4示出了根据本申请一实施例的BIC超表面的纳米单元结构绕实现的非线性薄膜中的局域场增强；其中，图4A示出了支持完美BIC的结构的电场分布图；图4B示出了支持Q-BIC模式的超表面结构的电场分布图。
在本实施例中，对称性打破的会将泵浦光的能量限制到非线性晶体薄膜中。如图4所示，正方形超表面支持的超表面由于无法与泵浦光耦合，不能将其能力局域到非线性薄膜中。对称性打破后，泵浦光能量被局域到非线性薄膜中，在超表面的作用下，非线性薄膜重点能力时泵浦光强度的11倍。
图5示出了根据本申请一实施例的宽带高效太赫兹源的时域光谱、频域光谱以及增强倍数；其中，图5A示出了铌酸锂薄膜和超表面发射太赫兹辐射的时域光谱；图5B示出了酸锂薄膜和超表面发射太赫兹辐射的频域光谱。
在本实施例中，依据上述方法制备了氧化硅/铌酸锂混合超表面，并以脉宽为70fs、重频为80MHz的脉冲孔作为泵浦光检验了超表面增强宽带太赫兹发射的性能。如图5所示，在超表面的作用下，在0-5THz的带宽范围内，太赫兹强度被显著增强。
综上，本发明实施例提供的一种利用介质超表面增强非线性薄膜宽带太赫兹发射效率的方法简单，且设计结构和可选择的材料的可以根据工作范围的需要进行修改满足丰富的需要，在未来的超表面器件设计中将发挥重要的作用。
本文中，诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对以上描述的实施例进行某些变型、修改、替换和改变。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。
Claims (10)
1.一种增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置，其特征在于，所述增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置包括自下而上依次设置的衬底、非线性单晶薄膜和低折射率超表面结构；其中，
所述低折射率超表面结构为低折射率薄膜层，且具有纳米结构单元；
优选地，所述低折射率薄膜层的折射率为1.45～2.0，更优选为1.45～1.7，最优选为1.45。
2.根据权利要求1所述的增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置，其特征在于：
所述衬底选自以下一种或多种：石英、蓝宝石、氟化钙，最优选为石英；
所述非线性单晶薄膜的材料选自以下一种或多种：铌酸锂、磷化镓、非晶硅、磷化铟、氮化镓、砷化镓、氧化锌，优选选自以下一种或多种：铌酸锂、磷化镓、非晶硅、砷化镓、氧化锌，更优选为铌酸锂或磷化镓；和/或
所述低折射率薄膜层的材料选自以下一种或多种：光刻胶、氧化硅、氟化钙、氮化硅，优选选自以下一种或多种：光刻胶、氧化硅、氟化钙。
3.根据权利要求1或2所述的增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置，其特征在于：
所述非线性单晶薄膜的折射率大于所述低折射率薄膜层的折射率；和/或
所述非线性单晶薄膜和所述低折射率薄膜层的厚度均小于目标工作波长的一半。
4.根据权利要求1至3种任一项所述的增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置，其特征在于：
所述纳米结构单元的几何结构选自以下一种或多种：矩形结构、三角形结构、圆形的柱或者孔结构、条形光栅结构；和/或
所述纳米结构单元通过引入缺陷，由连续域中束缚态变为准连续域连续域中束缚态；
优选地，所述缺陷为人为的几何缺陷或加工缺陷。
5.制备权利要求1至4中任一项所述的增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置的制备方法，其特征在于，所述方法包括：在衬底上自上而下依次制备非线性单晶薄膜和低折射率薄膜层，设计低折射率薄膜层的纳米结构单元，通过打破低折射率薄膜层的纳米结构单元的空间对称性，增强太赫兹辐射，即得所述增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)在衬底上制备非线性单晶薄膜；
(2)在步骤(1)制备的非线性单晶薄膜上制备低折射率薄膜层；
(3)设计低折射率薄膜层的纳米结构单元；
(4)设定目标工作波长，确定低折射率薄膜层的纳米结构单元的几何结构；和
(5)打破低折射率薄膜层的纳米结构单元的空间对称性，增强太赫兹辐射，得到所述增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置；
优选地，所述步骤(1)中：所述非线性单晶薄膜的制备方法选自以下一种或多种：MOCVD外延法，离子注入切割法、离子束减薄法；和/或
优选地，所述步骤(2)中：所述低折射率薄膜层的制备方法选自以下一种或多种：电子束蒸发沉积、磁控溅射、化学气相沉积法。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中还包括：在设计低折射率薄膜层的纳米结构单元后，还需求解所述纳米结构单元支持的电磁本征模式与波矢的关系，计算出品质因子，计算公式如式(I)所示：
其中，Q为品质因子，Re(f)为复谐振频率的实部，Im(f)为复谐振频率的虚部；
优选地，Q值不小于106，更优选为不小于108，进一步优选为不小于1010；
优选地，所述本征模式与品质因子的计算方法选自以下一种或多种：时域有限差分法、有限元法、矩阵法、有限积分法。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中：
所述目标工作波长的波段选自以下一种或多种：可见光波段、近红外波段、中红外波段；优选为700nm～1600nm；更优选为700nm～900nm或1500nm～1600nm；和/或
所述纳米结构单元对在所述目标工作波长支持品质因子无限大的连续域中束缚态谐振模式。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于：所述步骤(5)中：所述打破低折射率薄膜层的纳米结构单元的空间对称性的方法为引入人为的几何缺陷或加工缺陷，优选选自以下一种或多种：改变周期性结构的周期、加工引起的尺寸误差、在结构设计中引入不对称缺口、将结构偏离单元结构的中心。
10.一种增强太赫兹发射效率的方法，其特征在于，所述增强太赫兹发射效率的方法包括：通过权利要求1至4中任一项所述的增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置或按照权利要求5至9中任一项所述的方法制备的增强非线性薄膜宽带的太赫兹源装置发射太赫兹源；
优选地，所述太赫兹源通过打破纳米结构单元的空间对称性，使其支持的连续域中束缚态转变为准连续域中束缚态，将泵浦光局域到非线性单晶薄膜中，增强太赫兹发射效率；其中，所述准连续域中束缚态的纳米结构优选为波长700nm～1600nm；更优选为波长700nm～900nm或1500nm～1600nm。
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| CN116093741B (zh) * | 2023-04-10 | 2023-06-09 | 中国科学院半导体研究所 | 准连续域束缚态电注入激光器结构及半导体激光器 |
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