光控THz相变光子晶体实验研究

利用制备的相变光子晶体可以进行THz波的光泵浦调制实验研究。通过采用不同入射角度和强度的激光照射相变光子晶体,研究相变光子晶体几种状态间的相互转变规律和对THz波的调制机理。第一种光泵浦方式是532 nm泵浦光以斜45°辐照相变光子晶体表面。THz波沿垂直于相变光子晶体柱阵列周期平面的方向入射,如图4.13(b)所示。VO2的电导率可以由超快脉冲激光或连续激光诱导IMT效应而改变,而无论是介质相还是金属相的VO2都对532 nm激光显示出强烈的吸收,532 nm激光是光控VO2产生相变的常用选择之一,因此这里采用532 nm连续激光器对相变光子晶体进行辐照。实验光路如图4.12(a)所示,器件放置在THz-TDS系统的THz波焦点位置,THz光斑大小约为3 mm,泵浦光光斑与THz光斑的大小和位置重合。实验在温度为25℃和相对湿度小于5%的条件下进行。图4.12(b)为不同泵浦光功率下的THz-TDS脉冲信号,对其进行傅里叶变换,然后按照第3章介绍的数据处理方法就可以得到器件的THz振幅透射光谱线。

图4.12　

(a)光泵浦调控THz TDS系统的实验光路;(b)不同泵浦光功率下的THz TDS脉冲信号[4]

首先测量未镀VO2薄膜的硅光子晶体的THz透射光谱线,实验结果如图4.13(d)所示。由图可以看到,无论是无辐照(0 W)还是1.5 W激光辐射时,THz透射光谱线均在0.87 THz处存在一个强的谐振谷,其源于导模谐振效应,两者不同之处在于1.5 W激光辐照下的谱线透过率只比无辐照时略微下降。镀VO2薄膜的相变光子晶体在不同泵浦光功率下的THz透射光谱线的实验结果如图4.13(a)所示。对比图4.13(a)和图4.13(d)可以发现,无辐照时,镀VO2薄膜的相变光子晶体的THz透射光谱线与未镀VO2薄膜时基本重合。这证明了介质相VO2薄膜对THz波是透明的,对器件的传输没有影响,无辐照时,镀VO2薄膜的相变光子晶体器件表现出介质光子晶体的导模谐振效应。随着泵浦光功率的增加,整个VO2薄膜壳都被泵浦光激发,它逐渐由介质相变为金属相,这一物理模型示意图如图4.13(b)所示。从图4.13(a)可以看到,当泵浦光功率从0 W增加到1.5 W时,谐振频率外的谱线透过率从80%下降到10%(开始发生变化的泵浦光功率阈值为250 mW),在0.3~0.7 THz和1.05~1.45 THz频段实现了对宽带THz波的振幅调制,调制深度达70%。对比图4.13(a)和图4.13(d)可以发现,在相同光泵浦条件下,镀VO2薄膜的相变光子晶体的调制深度远大于未镀VO2薄膜的硅光子晶体。这一研究结果证实了在连续激光泵浦下,VO2薄膜的IMT效应对THz波调制的贡献远高于高阻硅表面的光生载流子效应。

图4.13　

(a)镀VO2薄膜的相变光子晶体在不同泵浦光功率下的THz透射光谱线的实验结果;(b)理论模型示意图;(c)不同VO2薄膜电导率下的THz透射光谱线的模拟结果;(d)相同光泵浦条件下未镀VO2薄膜的硅光子晶体的THz透射光谱线的实验结果[4](www.xing528.com)

根据式(2.7)和VO2薄膜的电磁参数,对图4.13(b)所示的器件进行建模,由FDTD算法模拟出不同VO2薄膜电导率下的THz透射光谱线,模拟结果如图4.13(c)所示。对比图4.13(a)和图4.13(c)可以发现,实验结果和模拟结果吻合较好,由此可以通过比较两者的THz透射光谱线建立泵浦光功率与VO2电导率间的对应关系。在1.5 W下,VO2薄膜的电导率为5×104 S/m,其显示出足够强的金属性。此时,器件可以被视为基底和顶部都被套上了一层金属壳,THz波不能透过器件。因此,在双光束45°泵浦的方式下,器件在介质光子晶体与金属光子晶体间发生相互转变。

第二种光泵浦方式是图4.14(b)所示的垂直光泵浦。不同泵浦光功率下的THz透射光谱线的实验结果如图4.14(a)所示。与图4.13(a)相似,随着泵浦光功率的增加,谐振频率以外的谱线透过率开始逐渐下降。特别需要注意的是,当泵浦光功率大于1.2 W时,在1.17 THz和1.44 THz处出现两个新的透射峰。如在1.17 THz处,透过率从80%下降到0.9 W时的40%,然后又增加到1.5 W时的55%。这一现象可以由图4.14(b)所示的物理模型解释。由于是垂直光泵浦,相变光子晶体柱侧壁的VO2薄膜并没有被直接激励,因此依然保持为介质相,只有其顶部和基底变为金属相,由此形成上方为悬浮的金属圆盘、下方为直径大小相等的金属圆孔周期性排列的一个特殊的表面等离子体阵列结构,上述的透射峰正是由这一表面等离子体阵列结构的光学异常透射引起的。

图4.14　

(a)不同泵浦光功率下的THz透射光谱线的实验结果;(b)理论模型示意图;(c)不同VO2薄膜电导率下的THz透射光谱线的模拟结果;(d)1.5 W泵浦光功率下不同泵浦光入射角度的THz透射光谱线的实验结果[4]

为了对垂直光泵浦下的器件进行建模,采用FDTD算法模拟出不同VO2薄膜电导率下的THz透射光谱线,模拟结果如图4.14(c)所示,与实验结果相符。1.5 W泵浦光功率时,在0.87 THz和1.17 THz处x-y平面内的模场分布也显示在图4.14(c)中。由此可以看到导模谐振是一个在介质光子晶体柱中的偶极子谐振模式,而异常透射是该频率处的THz波以表面等离子体波的形式绕过金属相VO2薄膜圆盘从而透过器件(按照经典光学理论,光无法穿过这一几何上互补的金属圆盘加金属圆孔的结构)。因此,该器件在垂直光泵浦下实现了在介质光子晶体和表面等离子体阵列间的相互转变,这一过程中的光子晶体导模谐振谷逐渐变为等离子体异常透射峰。

此外,还研究了1.5 W泵浦光功率下不同的泵浦光入射角度对THz透射光谱线的影响规律,实验结果如图4.14(d)所示。当泵浦光入射角度为0°~45°时,器件处于金属光子晶体和表面等离子体阵列的中间态;当泵浦光入射角度大于45°时,由于大的斜入射角度使得泵浦光功率密度下降,从而异常透射峰的透过率下降,因此通过改变泵浦光入射角度实现了金属光子晶体和表面等离子体阵列的相互转变。

通过在硅光子晶体上镀VO2薄膜,用同一微结构器件获得了介质光子晶体、金属光子晶体和表面等离子体阵列三种不同机理的人工电磁微结构,并通过不同的光泵浦方式实现了它们之间的相互转变。在0.3~0.7 THz和1.05~1.45 THz频段实现了调制深度达70%的THz波调制,同时还在实验上观察到金属圆盘加金属圆孔的表面等离子体阵列结构的光学异常透射现象。这种新型的相变光子晶体器件一方面可以作为宽谱THz调制器,应用于太赫兹无线通信系统,另一方面加深了对不同人工电磁微结构间的内在联系和相互转变规律的认识。