精彩论文 | 非易失可重构太赫兹波调制器

论文导读

      超表面及其主动调制在控制电磁波幅值、相位和偏振方面发挥了重要作用。目前大多数主动可重构器件受限于易失性，需要外界提供持续的激励去维持工作状态，这限制了其进一步广泛应用。2022年3月，天津大学田震教授课题组与大连理工大学曹暾教授课题组合作在 PhotoniX 期刊发表论文“Nonvolatile reconfigurable terahertz wave modulator”，此工作将相变材料Ge₂Sb₂Te₅(GST)与超表面设计相结合，实现了具有非易失、可重构、多级控制和宽带特性的太赫兹波调制器，包括异常折射器，超透镜和涡旋产生器。其提出的调制器在失去外界激励时仍能保持工作状态，该特性在碳中和大背景下意义显著。该工作提出了非易失、可重构超表面设计的新途径，有望应用于成像、传感和高速通信中。

研究背景

      太赫兹波覆盖0.1-10 THz频率范围，具备非电离性、穿透性、指纹谱和宽工作带宽等特性，在光谱、成像、传感、安全检测和高速通信等方面有着巨大的应用潜力，但传统的太赫兹器件体积庞大，无法集成化。超表面是一种人工微结构组成的二维平面，可用于实现对太赫兹波的调控。亚波长的厚度使其适用于实现太赫兹器件的小型化和集成化，但现有的被动超表面器件只具备单个功能，在加工制造之后性能固定，限制了其进一步的应用。目前各种主动调控方法已被提出，包括利用液晶、半导体、石墨烯等材料，通过施加外界激励可实现对器件功能的调控，但大部分器件都表现为易失性，在撤去外界激励后，性能也随之改变，需要恒定的能量来维持器件的性能，这限定了其应用场景。硫属化合物相变材料GST具有独特的相变特性，在非晶态和结晶态下具有完全不同的光学特性，且具备多个中间态，通过光、热和电激励可实现相态的切换，这种切换是非易失的，快速的和可重复的。本工作将GST和超表面的设计相结合，围绕非易失可重构的太赫兹波调制器件展开研究。

技术突破

      本工作首先将GST和超表面结合用于设计实现了太赫兹异常偏折器。当GST 处于非晶态时，测量的归一化强度与频率和角度的关系图如图1a所示。从结果可以看出，偏折器表现出从0.5 THz到1 THz的宽带偏折特性。在固定频率下，几乎所有能量都被转向特定角度。然后，将样品在300°C下加热两分钟，使 GST 从非晶态转变为晶态，分别对应于低电导率/高透过率和高电导率/低透过率。结果如图 1b 所示。大部分能量被反射和吸收；因此，器件被完全关闭。图 2c 显示了在 0.8 THz 处提取的两种相态下的归一化强度分布，非晶态偏转角为36°，与广义斯涅尔定律计算的结果吻合较好。在结晶状态下，偏转强度在整个扫描角度范围内几乎为零。除了“ON”和“OFF”两种状态外，我们还展示了通过纳秒激光脉冲的多级调制效果，如图 2e 所示。通过以 10?mJ/cm² 的步长将激光能量从 60?mJ/cm² 调整到 120?mJ/cm²，实现了不同的偏折强度。主要来源于随着激光强度的增强，GST的非晶化程度提高，从而太赫兹波透过率增大。

      接着设计实现了覆盖0.4-0.8THz范围的宽带非易失可重构太赫兹超透镜和涡旋产生器。图2a为测量的超透镜在宽带范围内z-x平面和x-y平面的归一化强度分布，器件表现为宽带的聚焦特性。图2b为实验表征的太赫兹超透镜的可逆切换的可重复特性。首先将整个样品在热板上300°C加热2 分钟来诱导结晶，从结果可以看出，焦点完全消失，峰值强度接近于零，器件工作在“OFF”状态。然后通过施加单个7 ns、120?mJ/cm² 的激光脉冲对 GST 进行非晶化，器件再次开启，聚焦效果良好。进行了4次开-关循环证明了调制器的可重复性。除了二元调制之外，我们以 10?mJ/cm² 的步长将激光能量从 60 调整到 120?mJ/cm²，通过部分或完全非晶化 GST 来实现聚焦强度的多级调制。 图 2c 显示了焦平面处水平截面的归一化强度分布。当激光能量密度小于 120?mJ/cm² 时，GST 处于由非晶态和晶态组成的中间态。随着激光能量密度从 60 增加到 120?mJ/cm²，非晶态GST的比例逐渐增加，太赫兹透射率和焦点处的强度也随之增加。我们还进一步设计和实验验证了非易失可重构的宽带太赫兹涡旋产生器件，证明了设计的可行性。

观点评述

      本工作通过将相变材料GST融入到超表面设计中，实现了非易失可重构的太赫兹波调制器件，与现有的太赫兹波主动调控方法相比，具有以下优势：(i) 该类器件是非易失和节能的。通过施加光或热刺激，形成非晶态、晶态或中间态，在去除外部能量后，在室温下它们可在一定的相态下保持数年稳定，同时可在状态之间重复可逆切换。(ii) GST的两种状态（非晶态和结晶态）的电导率存在显着差异，导致 THz 透过率存在很大差异。在非晶态，太赫兹功能器件有效；在晶态，器件关闭。通过在两种状态之间切换，我们可以实现“ON”和“OFF”状态。(iii) 在非晶态和晶态之间有许多中间态，可以利用这些中间态来实现多级调制器。(iv) 器件表现出 0.4 THz 至 0.8 THz 的宽带调制特性。所提出的将功能超表面与 GST 相结合的设计策略，为实现可重构和非易失性太赫兹器件铺平了道路，并可能在太赫兹集成器件、成像和通信中具有重要应用。

主要作者

      张寿俊，天津大学精密仪器与光电子工程学院，太赫兹研究中心博士研究生，研究方向为太赫兹超表面器件。

      曹暾，大连理工大学光电工程与仪器科学学院院长，教授、博士生导师。获大连理工大学电子系学士学位，英国University of Bristol电子系博士学位。曾于英国City University London、韩国Yonsei University任博士后、研究助理教授。获省“十百千高端人才引进工程”-百人层次,省“百千万人才工程”－千人层次，省杰出青年学者，“星海杰青”等人才项目支持。主要研究领域：超构材料、光子晶体、光电子器件。在包括Physical Review Letters、Advanced Functional Materials、 Nano Energy、Nano Letters、Research、Light-Science&Applications、Advanced Photonics等期刊发表研究论文80余篇。

      田震，天津大学国家重点学科光学工程学科负责人，天津大学精密仪器与光电子工程学院副院长，中国仪器仪表学会图像科学与工程分会副理事长、青年工作委员会委员，天津市光学学会监事，中国超材料学会理事。获2018年度高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学奖一等奖（太赫兹亚波长光子学调控研究，排名第四）；曾获得国家自然科学基金优秀青年科学基金；曾获天津市杰出青年科学基金；曾获天津市青年科技奖；曾获中国激光杂志社评选的中国光学重要成果；曾获Light Conference杰出张贴报告奖；曾获中国仪器仪表协会颁发的金国藩青年学子奖学金。担任Chinese Optics Letters期刊编委兼topical editor、中国激光杂志社青年编委、Applied Sciences期刊编委、光学·精密工程期刊编委。担任Advanced Materials、Small、ACS Photonics、Optics Letters、Applied Physics Letters、Optics Express等期刊审稿人。以第一作者和通讯作者身份在Nature Communications、Advanced Materials、Laser & Photonics Reviews等刊物上发表论文40余篇，目前总引用次数5000余次，H因子40。主要研究方向为太赫兹光子学、微纳光子学、太赫兹光声等。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 现已被SCIE、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等多个数据库收录，并入选《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区》。

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