探究THz磁光器件的单向传输机理及功能特性

THz波处于宏观电子学向微观光子学的过渡频谱区,其与自然物质的相互作用具有与微波和光波显著不同的特性。这一方面使得THz技术蕴含着新的基础科学问题和重大技术创新潜力,另一方面也给THz波的产生、探测和操控带来了挑战。事实上,由于缺乏对THz电磁波基本物理特性及其与物质相互作用规律的深入认识,THz波的传输与调控理论发展较为缓慢,材料和器件技术更是极为缺乏,严重制约了THz科学尤其是其应用技术的发展。

为了突破以上技术瓶颈,近些年国际学术界对THz波电磁传输机理以及关键材料和器件技术展开了大量的研究,并且在THz波导、开关、调制、滤波、放大等原理和器件技术上取得了较大的突破,为THz应用技术发展奠定了重要基础。值得指出的是,这些研究更多关注于物质在THz频段的“电学特性”,而“磁学特性”的研究涉及很少,这归因于磁学特性研究的复杂性。由于电磁波的属性,只有从“电”和“磁”两方面深入认识和理解THz电磁波与物质相互作用的规律,才能真正意义上填补所谓的“太赫兹空白(Terahertz Gap)”。更重要的是,对物质的THz磁性的充分认识,也必将发现大量的新效应和新现象,并催生出一大类具有新颖特性的功能器件,这对于THz科学与技术的发展无疑具有根本性的推动作用。

磁性物质在电磁波领域的应用受到关注主要归因于两个方面的独特性质：一是磁光材料在外磁场的作用下对电磁波的振幅、相位和偏振产生动态调控,即具有磁可调谐性,且当磁光材料被引入或制备成人工电磁结构时(即构成磁光微结构),将表现出比简单磁光材料更加丰富的新型磁光效应和更强的“光-磁”相互作用;二是磁光材料具有非互易性,它回旋张量形式的各向异性不同于普通晶体,使得它所构成的电磁传输系统在特定条件下可以打破时间反演对称性,实现“光路不可逆”的非互易单向传输,允许正向光高效地通过器件,而禁止光反向通过,如图7.1所示,非互易特性的研究在THz领域中具有特殊而重要的作用。

图7.1　几种单向传输器件的工作原理示意图(www.xing528.com)

(a)非互易磁光隔离器;(b)非互易环形器;(c)非磁性非对称单向传输器

首先,磁光微结构及单向传输机理是我们探索、认识和理解THz频段磁和磁光特性的重要工具,是研究THz频段“光-磁”相互作用的重要结构载体,包含了极为丰富的基础科学问题。例如,物理学顶级期刊Physical Review Letters于2010年报道了英国牛津大学Reid教授提出的激光调制THz共振的研究。其利用超快飞秒激光泵浦Bi∶LuIG磁光单晶,仅凭激光的磁场分量即激发出高达0.7 THz的铁磁共振频率,并且利用激光的偏振可以改变THz波共振相位达到180°,为THz波的幅度调制和相位调制提供了全新的技术方案[1]。相反地,荷兰代尔夫特理工大学和美国波士顿大学的科研人员则利用THz波脉冲的瞬态磁场分量,在人工超结构与磁光单晶Tb3 Ga5 O12(TGG)构成的微结构中诱导出强的磁光法拉第效应,实现了THz波对光偏振方向的调控[2]。2016年,荷兰大学Subkhangulov等在Nature Photonics上发表论文,通过TGG揭示了THz磁光法拉第效应与飞秒激光克尔效应之间的复杂关系,并通过外加磁场实现了从0.1~1.1 THz的THz共振连续可调。这些基于磁光微结构的研究已经催生出如超快光磁性、磁振子学等诸多THz频段的磁学和光学的新效应和新现象,蕴含着巨大的理论和技术创新潜力[3]。

其次,磁光微结构THz磁可调谐器件与单向传输器件在THz应用系统中有着迫切的实际需求,是构建以THz无线通信和安检成像为代表的准光型应用系统的核心器件。THz准光系统中存在大量元件的反射回波和散射,不但影响到辐射源和探测器等有源器件的使用寿命和工作安全,还给整个系统带来了严重的噪声,降低了系统的稳定性和可靠性。这一情况在最近兴起的强THz应用技术领域尤为突出。THz单向传输器件允许正向光高效地通过器件,而禁止光反向通过,能够有效地解决上述问题,是THz应用系统达到最佳性能的重要保障。利用THz磁光微结构是满足THz非互易传输条件实现高效单向传输的重要途径,同时还可以实现磁场对THz波传输特性的高效动态调制,形成磁可调谐器件,也是实现THz波调控的重要技术手段,能够提高系统集成度、加快系统小型化,因此具有重要的研究价值。

但是到目前为止,由于缺乏对THz“磁学特性”及其电磁传输特性的深入理解,THz单向传输机理尚不清晰,材料和结构基础也比较薄弱,更缺乏高性能的功能器件。因此,应围绕新材料和新结构的THz磁学特性及其电磁传输机理开展研究,发展以磁可调控和非互易单向传输为代表的THz波传输与调控理论和器件技术研究,既推动THz波谱范围内“光-磁”研究的交叉发展与融合,又为THz应用提供了器件技术支撑。因此对于THz科学的发展和技术进步均具有重要意义。

本章从THz磁光材料及其典型磁光效应的基础开始介绍,然后给出一些典型的THz磁光微结构功能器件的例子,重点介绍THz非互易单向传输机理及其器件的研究。