摘要
伴随着激光技术和半导体技术的发展，太赫兹波在过去30年得到了广泛的关注。除了其自身所具有的重大科学意义之外，太赫兹波还在成像、传感、通信等领域彰显出巨大的潜在应用价值。为满足不同应用场景对于太赫兹波的特定要求，亟需开发具有可调控特性的强太赫兹辐射源以及太赫兹调制器件。为此，本文以飞秒激光为平台，对太赫兹波的产生技术与调制技术开展了一系列研究，具体研究内容概括如下: (1)面向双色激光诱导空气等离子体太赫兹辐射源的调控方式有限的问题，系统地研究了入射飞秒激光脉冲的啁啾和能量对太赫兹辐射振幅、波形和频谱的调控规律，并且分析了其调控机理。随着激光能量的逐渐增强，太赫兹脉冲振幅会出现局部极小值，时域波形会发生极性反转且峰值频率会发生较大转移。通过调控激光啁啾，可以改变太赫兹辐射振幅、波形和频谱随激光能量的演化过程，啁啾程度越大，太赫兹振幅极小值及波形反转对应的激光能量越高。基于线性偶极子阵列模型可以对实验结果进行定性重构，其中由激光啁啾和能量决定的双色激光之间的相对相位可以解释太赫兹振幅的极小值和波形极性反转;太赫兹峰值频率的移动源于其频谱分量的异步变化，意味着激光脉冲和太赫兹波之间存在频率依赖的相位匹配。这些结果强调了激光啁啾在太赫兹波产生过程中的重要性，并证明了通过对入射激光脉冲进行啁啾来调控太赫兹波产率和频谱的可能性，为基于空气等离子体的太赫兹波产生机制提供了进一步的解释，并为调控强场太赫兹辐射提供了有效的方法。 (2)面向光控太赫兹超快调制器件存在的泵浦能量阈值较高的问题，提出了一种基于SnSe2薄膜复合Fano超表面的太赫兹波超快开关器件，可在157μJ/cm2的超低激光能量密度下，实现高达91％的Fano调制深度，Fano共振的完整开关周期在百皮秒量级。通过对纯SnSe2薄膜的太赫兹透射光谱进行测量，得到其在157μJ/cm2的激光激发下的电导率可达2×105S/m,远高于大多数其他半导体材料的光生电导率，确保了更多的光生载流子注入Fano超表面的开口环间隙，从而赋予了该复合型器件的超低阈值特性。该工作是SnSe2材料在太赫兹超快调制器件中的首次应用，除了具有超大的光生电导率变化范围，SnSe2还具有高稳定性和低成本的特点，为基于半导体-金属超表面的复合型太赫兹调制器件提供了一种可行且实用的方案。 (3)面向太赫兹调制器件控制方式单一的问题，提出了一种基于叉指电极-金属非对称开口环阵列-热蒸发锗膜组成的太赫兹超快调制器件，既可在光场和电场的共同激励下工作，也可在单一激励下工作。通过对锗膜进行光激发，可以实现100％的Fano共振调制深度和10ps以内的超快开关周期;通过引入500mA的电流偏置，可以使器件的光泵浦阈值从1600μJ/cm2大幅降低到200μJ/cm2。此外，还发现了电流调控中的锗膜厚度效应，可通过增加锗膜厚度来降低偏置电流阈值。该工作提高了锗基太赫兹调制器件的灵活性和实用性，为促进超快太赫兹开关和超快可切换传感器的发展拓展了思路。 (4)面向当前太赫兹超快调制器件中半导体材料厚度较大的问题，提出了一种基于10nmMoTe2薄膜-金属超表面的复合型电磁诱导透明(Electromagneticallyinducedtransparency,EIT)器件，可在光激发下实现77％的EIT调制深度，以及4.6ps的群延迟调制范围。该工作是MoTe2在太赫兹超快调制器件中的首次应用，基于EIT超表面，不仅可以实现对太赫兹透射率的调制，还可以减慢太赫兹波的传播速度，从而增强其与物质的相互作用，有利于研究太赫兹非线性效应。MoTe2薄膜的厚度仅10nm，有利于提高太赫兹调制器件的集成度，为用于6G通信的片上集成器件提供一种可选的方案。
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