近日，太赫茲科學協同創新中心協同單位——上海理工大學的光電信息與計算機工程學院下屬超快光電子與太赫茲實驗室臧小飛副教授、朱亦鳴教授在莊松林院士的指導下，利用重摻雜硅制備實現超寬頻太赫茲吸收器的研究取得重要進展。該研究工作的題目為“Ultra-broadband terahertz absorption by exciting the orthogonal diffraction in dumbbell-shaped gratings”的論文，于2015年3月10日發表在Nature Group的新刊物Scientific Reports上(Sci. Rep. 5, 8901 (2015)).

太赫茲波的位置處于宏觀經典理論向微觀量子理論的過渡區；其頻率在0.1～10THz(THz=1012Hz)之間，由于太赫茲波有高效的背景發射噪聲抑制功能，很好的時間和空間相干性，超低的光子能量（4meV）以及超強的穿透能力，使得太赫茲科學技術在生物醫藥檢測、安檢、光譜測量、空間通訊、成像等領域具有重要的應用。目前，太赫茲科學正成為光學和電子學領域的一個研究熱點，而制約太赫茲應用的主要瓶頸包括源、探測器、濾波器、吸收器等。其中，太赫茲吸收器在太赫茲成像、探測、傳感、通訊、太赫茲波調制等方面均有重要應用。盡管基于超材料結構的太赫茲吸收器有了廣泛的研究，由于其受限于金屬共振特性，使得此類結構的太赫茲吸收器只能局限于單頻或者多頻點的吸收。如何實現寬頻太赫茲吸收器仍然是一大挑戰。

圖1(a, b) THz超寬頻吸收器結構。(c)基本原理。(d, e)TE, TM入射THz波的吸收率。

考慮到金屬共振結構的限制，我們另辟蹊徑在重摻雜硅的表面刻蝕周期性相互垂直的啞鈴型共振條狀結構，其基本結構如圖1 (a, b) 所示。其基本原理如圖1(c)所示：在低頻段區間(λ>P，λ為波長，P為周期) 該結構形成的等效介質并誘導相干吸收(反反射效應)。而在高頻段區間，(λ<P)此時太赫茲波的吸收主要由此類周期性結構產生的光柵衍射導致的吸收。由于設計的是一對相互垂直的啞鈴型共振條狀周期性結構，對于入射TE偏振(或者TM偏振)的太赫茲波，它們分別能在x- (或者y-兩個方向上)“看到”兩種長度不等的空氣型波導。它們分別對應于[±1, 0]和[0， ±1]階光柵衍射。通過設計相應的摻雜濃度，并調節周期性結構的尺寸，將消相干頻率和[±1，0]和[0，±1]階光柵衍射頻率進一步優化，使得它們相互聯合形成一個吸收率超過95%，吸收頻寬為1.6THz的超寬帶太赫茲吸收器(如圖1 (d, e))。

該工作得到了國家973計劃，國家重大科學儀器專項，國家自然基金的資助。

來源：上海理工大學光電信息與計算機工程學院超快光電子與太赫茲實驗室