[00143631]太赫兹亚波长光子学调控

1、课题来源与背景 太赫兹波,频率范围在0.1～10 THz,在电磁波谱中处于红外与微波之间,其特殊的光谱特性,可用于材料分析、生物医学检测和安全检查等;其高频特性,可用于超宽带通讯、军事雷达和高分辨率成像等。然而到目前为止,太赫兹科学与技术还未能真正实用化。究其原因在于缺乏高品质太赫兹辐射、探测和调控技术。近年来,随着飞秒激光技术的日益成熟,太赫兹辐射和探测技术得到了长足的发展,而相应太赫兹调控技术却仍然十分匮乏。 2、研究目的与意义 新一代太赫兹调控技术的研究,对于推动太赫兹科学与技术的发展至关重要。目前,在传统成熟的微波和红外调控技术无法在太赫兹波段发挥作用的背景下,亚波长光子学的出现,其超高自由度局域电磁场设计方法,为突破这一局面提供了有效解决途径。 以超材料为核心方向的亚波长光子学属于国际研究前沿和热点,多次入选Science“十大科学突破”,得到了许多发达国家的高度重视和投入。近年来,该领域虽然取得了飞跃式发展,但仍存在一系列瓶颈问题,如对新现象、新物理的深层次发掘,与新材料的进一步结合,调控性能的提升等。因此,开展太赫兹亚波长光子学调控研究,不仅对发展新型太赫兹调控技术有重要的应用前景,而且对于推动基础科学发展具有重要的学术价值。 3、主要论点与论据 该团队长期从事太赫兹亚波长光子学的研究工作,围绕“新型太赫兹调控”领域中存在的瓶颈问题,在国家自然科学基金重点基金项目等资助下,取得了一系列在国内外产生重要影响的创新性成果,提出了多种新型太赫兹主、被动频谱和波前调控方法,10篇相关代表论文分别发表在应用物理学、光学和材料学领域里顶级的学术期刊上,平均SCI他引85次,其中1篇入选ESI高引论文。 4、创见与创新 1)提出了多种太赫兹慢光调控机制,开辟了太赫兹电磁诱导透明的研究方向。基于相互耦合的金属微结构,提出了多种产生太赫兹慢光效应的新途径。特别是采用超快激光瞬态调控金属-半导体复合谐振单元的耦合特征,在国际上首次实现了对太赫兹透射振幅和群延迟的主动调控。 2)提出了太赫兹偏振、波前和隐身调控的新方法,突破了太赫兹传输中存在的系列难题。提出了基于光栅结构的偏振调控方法,利用多次反射偏振逐步转换和正负色散补偿的设计方案,解决了偏振器件带宽窄、效率低的难题。提出了平面结构相位突变的波前调控方法,克服了块状材料器件体积大的瓶颈效应,首次在太赫兹波段观测到了异常折射现象和实现了透镜阵列。提出了基于变换光学的超大尺度隐身设计方法,实现了隐身有效区高于一个数量级的突破,大幅简化了以往复杂的逐点隐身结构设计和制备过程,解决了传播损耗大的问题。 3)发现了石墨烯-硅复合结构在外界激励下对太赫兹波的调控规律,在国际上首次提出了“太赫兹类二极管”效应。利用石墨烯-硅之间在外加光泵条件下形成的“PN结”来调控石墨烯的电导率,观测到了正向偏压通过、负向偏压截止的太赫兹振幅调控新现象,调制深度达83%,该机制还同时极大地降低了所需的外界激励条件。进一步结合超材料微结构,通过引入谐振效应,提高了对太赫兹振幅调控的自由度。 5、社会经济效益,存在的问题 在人才培养方面。培养毕业7名博士生,22名硕士生。2名博士获得天津大学优博论文,1名博士获得王大珩光学奖（高校学生光学奖）和光学学会优博论文奖,5名同学获得研究生国家奖学金,7名博士生经国家公派项目出国联合培养。 在团队建设方面。张伟力入选教育部特聘教授、、美国光学学会会士。韩家广入选青年学者、获得国家自然科学基金优秀青年基金资助、天津市131创新人才培养工程第一层次人才。谷建强、田震获得国家自然科学基金优秀青年基金资助。张学迁入选中国科协青年人才托举工程项目。 在学科建设方面。团队所在的“光学工程”学科在教育部第四次学科评估中获得A,本项目相关成果起到了关键支撑作用。 在学术交流方面。团队成员40余次在国际会议上做作请报告,提高了中国科学家在本领域的国际影响力。 存在的问题。慢光主动调控的方式和速度还有待进一步优化,可引入新型功能性材料。偏振调控工作的还局限于被动调控且转换效率有待进一步提升,可引入低损耗介质层来降低损耗。利用相位突变控制波前的设计,其操控效率还有待提高,可采用多层结构或全介质超材料来进行优化。石墨烯-硅的太赫兹调控工作的电压调控速率还不高,可通过选用适当掺杂的基底材料减小电阻或做成结构来减小电容,进而提高调控速度。隐身工作的应用条件有限,需结合实际情况提出更多设计方案。 6、历年获奖情况。 2013年获教育部创新团队奖。2015年获中国激光杂志社中国光学重要成果。