太赫茲輻射偏振態(tài)調(diào)控之新方案-單層二硫化鎢的光整流效應(yīng)

太赫茲是電磁頻譜中唯一以其頻率命名的波段，其范圍通常定義為0.1～10 THz （1 THz= 1012 Hz），處于遠(yuǎn)紅外和微波之間，是電子學(xué)向光子學(xué)過(guò)渡的頻段。早期，受有效太赫茲波產(chǎn)生和探測(cè)方法的限制，使得該波段的科學(xué)研究一直處于“空隙”階段（“THz gap”），成為電磁頻譜中最后需要深入探究的波段。直到90年代初，隨著飛秒激光器和非線性光學(xué)的快速發(fā)展，高功率的太赫茲源和高靈敏的太赫茲探測(cè)器才得以發(fā)展。近年來(lái)，隨著先進(jìn)納米材料的發(fā)展，將太赫茲技術(shù)與納米材料科學(xué)相結(jié)合，形成了一門新的“太赫茲納米”（“TeraNano”）交叉學(xué)科。太赫茲技術(shù)為納米材料在太赫茲波段的物理性質(zhì)以及非線性光學(xué)過(guò)程研究提供了新的工具，而且有助于理解納米材料表面與界面的超快光電響應(yīng)過(guò)程；另一方面納米材料科學(xué)也進(jìn)一步促進(jìn)基于納米材料的太赫茲光電子器件的發(fā)展，尤其是有望促進(jìn)太赫茲功能器件向微型化和集成化發(fā)展。

過(guò)渡金屬硫族化合物如二硫化鉬（MoS2）和二硫化鎢（WS2）等，為典型的類石墨烯層狀二維納米材料，表現(xiàn)出強(qiáng)的二次諧波產(chǎn)生、層數(shù)依賴的光致發(fā)光和自旋軌道耦合引起的自旋依賴的光電特性。在太赫茲波段，這類材料具有低吸收損耗，皮秒甚至飛秒量級(jí)的超快載流子動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，從而在新型太赫茲功能器件的研究中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。近期，西北大學(xué)光子學(xué)與光子技術(shù)研究所徐新龍教授研究團(tuán)隊(duì)研究了單層二硫化鎢在線偏振和圓偏振飛秒激光激發(fā)下產(chǎn)生偏振太赫茲發(fā)射光譜的特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在800 nm飛秒激光的激發(fā)下，偏振太赫茲發(fā)射主要是基于面內(nèi)非線性偶極子的光整流效應(yīng)，這與塊狀二硫化鎢晶體基于表面場(chǎng)效應(yīng)的太赫茲輻射機(jī)理完全不同。通過(guò)二階非線性理論推導(dǎo)，驗(yàn)證了太赫茲輻射電場(chǎng)強(qiáng)度與方位角和入射偏振角的依賴關(guān)系。此外，當(dāng)單層二硫化鎢在圓偏振光激發(fā)下時(shí)，圓極化光整流效應(yīng)可引起橢圓偏振的太赫茲輻射，且其偏振態(tài)可直接通過(guò)改變激發(fā)光的偏振進(jìn)行調(diào)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，太赫茲輻射的橢圓率在圓偏振激發(fā)下可達(dá)到最大值e≈0.52。該研究結(jié)果不僅加深了對(duì)二硫化鎢等過(guò)渡金屬硫族化合物二階非線性特性的理解，并且有助于二維太赫茲發(fā)射源、偏振器等光電子器件的設(shè)計(jì)、制作與優(yōu)化。

相關(guān)內(nèi)容發(fā)表在Advanced Optical Materials（DOI: 10.1002/adom.201801314）上，通訊作者為徐新龍教授，第一作者為其博士生張隆輝。