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)過渡的頻段。早期，受有效太赫茲波產(chǎn)生和探測方法的限制，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器才得以發(fā)展。近年來，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，皮秒甚至飛秒量級的超快載流子動力學(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隊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。實驗結(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效應(yīng)的太赫茲輻射機理完全不同。通過二階非線性理論推導(dǎo)，驗證了太赫茲輻射電場強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，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)可直接通過改變激發(fā)光的偏振進(jìn)行調(diào)控。實驗結(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)果不僅加深了對二硫化鎢等過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、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。