Light: 基于ITO纳米薄膜的宽带太赫兹波辐射

来源：两江科技评论

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导读

近日，清华大学精密仪器系杨原牧副教授课题组与天津大学太赫兹研究中心韩家广教授课题组等合作提出利用介电常数近零（Epsilon-near-zero，ENZ）效应，构造了基于商业级低成本ITO薄膜的宽带太赫兹波辐射源。

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研究背景

太赫兹波指的是频率在1011~1013 Hz范围内的电磁辐射，在电磁波谱中介于红外和微波之间。20世纪 80 年代后，半导体电子学和超快光子学技术的快速发展，才使得太赫兹波的高效产生、探测和操控逐渐成为可能。基于超快光子学的太赫兹波产生探测（如采用飞秒激光泵浦碲化锌和铌酸锂等非线性晶体等），是实验中研究太赫兹的常用手段。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，从而限制了太赫兹波的带宽。如果太赫兹波辐射源的厚度仅为波长量级甚至纳米量级，那么相位匹配条件将不再是限制条件。基于此，本文作者提出利用超薄的介电常数近零（ENZ）媒质，实现了不受相位失配影响的宽带太赫兹辐射源。

考虑一束p偏振光从空气中斜入射到ENZ媒质中时，根据由麦克斯韦方程推导得出的电磁场边界条件，当入射光的频率正好对应于材料的ENZ频率时，ENZ媒质中的光场可被大幅增强，从而光和物质的非线性相互作用也被大幅增强。另一种可以解释ENZ媒质中光场增强的机理是ENZ薄膜中的“慢光”效应。通过计算ENZ薄膜的色散曲线，人们可以发现当薄膜厚度薄至亚波长尺度，其支持的传播模式对应的群速度急剧下降，可以等效地认为光在ENZ媒质中传播静止，从而也能实现光场放大以及非线性相互作用的大幅增强。

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创新研究

图1 ITO薄膜在近红外飞秒激光泵浦作用下产生太赫兹波辐射示意图

ITO材料是最为常见具有ENZ效应的材料之一，具有易加工、成本低和掺杂可调节等优点。我们采用19 nm的商业ITO薄膜作为太赫兹的产生源，在特定入射光频率时，材料的介电常数的实部接近于零，由于其几何尺寸仅为纳米量级，非线性过程不受相位匹配条件的制约。文中首先测量确定了ITO薄膜的ENZ效应波长为1400 nm，并且通过计算发现该波长处存在明显的谐振电场增强。而后，分别从透射方向和反射方向测量ITO薄膜产生的太赫兹波信号。在ITO薄膜的ENZ波长处泵浦可以明显地观测到太赫兹波辐射，并且通过傅里叶变换可以得到频域信号，其频谱宽度可达3 THz。目前实验中太赫兹波频谱探测宽度主要受限于电光晶体的工作带宽和泵浦脉冲的频谱宽度。

进一步探究ENZ效应对太赫兹波辐射的增强原理，作者测量了太赫兹波强度随泵浦波长的变化关系，发现在ENZ波长附近太赫兹波辐射得到明显增强。同时作者发现了一个有趣的现象，其峰值波长会随泵浦能量密度改变而发生偏移。针对该现象作者建立了热电子模型进行定量计算，理论计算与实验结果符合较好。作者还进行了功率相关性测量，进一步验证太赫兹波的产生过程为二阶非线性过程。

图2 ENZ效应增强太赫兹波辐射的实验结果与理论解释

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应用与展望

本工作利用ITO纳米薄膜的ENZ效应实现了增强太赫兹波辐射，由于其尺寸仅为纳米级，该过程不受相位匹配条件的制约。虽然其转换效率较非线性晶体仍有一定差距，但是有望通过使用损耗较低的ENZ材料进一步提高其效率。