可重构的圆偏振太赫兹辐射来自范德瓦尔斯铁电体NbOI2

《Laser & Photonics Reviews》：Reconfigurable Circularly Polarized Terahertz Emission from vdW Ferroelectric NbOI2

双片结构太赫兹旋光发射器基于铌氧碘化物材料，通过旋转片子和调整间距控制旋光性和椭圆度，无需传统波片，适用于THz及扩展频段，提供高效紧凑的圆极化光源。

　　在自然界和现代科技中，手性材料广泛存在于各种物理和化学系统中，包括生物分子、具有手性声子的材料以及具有自旋纹理的量子材料。这些材料在与电磁波相互作用时，表现出独特的响应特性，例如圆二色性效应，这使得手性光的生成和调控成为研究光与物质相互作用的重要手段。然而，在某些频率范围内，如太赫兹（THz）波段或紫外（UV）波段，传统高效波片（如四分之一波片）的可用性受到限制，因此亟需一种高效、紧凑且灵活的手性光源。本文提出了一种基于双片结构的新型手性THz发射器，能够实现对THz波的高可调性。该方法通过使用一种二维范德华铁电材料——铌氧二碘（NbOI?），实现了对THz波手性和椭圆度的主动调控。这一方案不仅适用于THz波段，还具有推广至其他光谱区域的潜力，为探索光与物质之间未被传统方法覆盖的相互作用提供了新的机会。

手性光的生成通常依赖于两个关键条件：一是需要两个相互垂直的电场分量，且它们的振幅相等；二是这两个分量之间存在90°的相位差。在红外和可见光波段，成熟的光学元件如双折射晶体制成的四分之一波片能够高效地满足这些条件。但在THz波段，由于材料特性和设备限制，实现可控的手性辐射仍然面临挑战。为了解决这一问题，研究人员提出了多种方法，包括偏振转换光学器件、相干光束合成以及直接手性发射等。然而，这些方法往往伴随着复杂的光学配置、昂贵的磁结构需求、低转换效率或有限的带宽和调谐灵活性。因此，开发一种高效率、高灵活性、紧凑且宽带的手性THz光源成为当前研究的重要方向。

本文提出并实验验证了一种基于双片结构的全新方法，能够实现对THz波的手性控制。该方法利用了NbOI?这种二维范德华铁电材料的独特性质：其发射的THz波具有双向辐射特性，且其偏振方向仅由材料的方位角决定。这意味着，当两个NbOI?薄片以特定的方位角排列时，可以产生相互垂直的电场分量，并通过调节它们之间的距离来引入所需的相位差。由于THz波在向前传播时不会因距离变化而产生额外的延迟，而向后传播时则会因为路径长度差异而产生时间延迟，因此可以通过控制薄片之间的距离来调节THz波的椭圆度和手性。这一设计的关键在于，当两个薄片之间的距离与方位角被合理控制时，可以实现从线性偏振到椭圆偏振，甚至到完全圆偏振的过渡。

为了验证这一概念，研究团队搭建了一套反射模式的实验装置。该装置中，泵浦激光首先照射到双薄片结构上，随后通过薄片产生两个THz脉冲。其中一个脉冲向前传播，另一个则向后传播，并在反射后再次通过薄片。通过调整薄片的方位角和距离，可以实现对两个THz脉冲的振幅和相位的独立控制。实验结果表明，当薄片之间的距离和方位角被优化时，能够产生具有特定椭圆度和手性的THz脉冲。例如，在薄片间距为一定值时，THz波呈现出线性偏振；当间距进一步调整时，椭圆度逐渐增加，最终形成圆偏振。此外，通过旋转其中一个薄片，可以实现手性方向的反转，从而产生左旋或右旋的圆偏振THz波。这一过程不仅展示了该方法在生成圆偏振THz波方面的有效性，也表明了其在控制THz波偏振特性方面的灵活性。

该方法的可调性使得其在多个方面展现出显著优势。首先，它能够在不依赖复杂光学元件的情况下，实现对THz波偏振特性的直接控制，从而简化了实验装置的设计和实现过程。其次，由于薄片厚度远小于THz波的波长，因此可以有效降低反射效应，避免因反射导致的脉冲回波和输出光谱的干扰。此外，NbOI?材料在THz波段表现出低吸收特性，确保了两个薄片在受到相同泵浦能量时，能够产生相似的THz信号。这不仅提高了信号的稳定性，还增强了系统的整体效率。

更进一步，该双薄片结构的设计还允许在多个频率范围内进行扩展。例如，通过引入不同的频率生成机制，可以实现对THz波的宽带调控，从而适应更广泛的应用场景。同时，由于薄片的厚度和材料特性，该方法还能够生成具有定制化时空特性的光场。例如，多个薄片可以按顺序排列，以生成一系列THz脉冲，每个脉冲的偏振状态均可独立控制。这种能力在需要精确调控光场的应用中尤为重要，如量子通信、生物成像和非线性光学等。此外，NbOI?作为铁电材料，其偏振方向可以通过外加电场进行反转，从而实现对THz波手性的可逆调控。这一特性为开发基于电场调控的手性光源提供了新的思路。

在实验中，研究人员使用了厚度约为1微米的NbOI?薄片，并将其固定在厚度为2毫米的蓝宝石衬底上。泵浦激光的波长为800纳米，脉冲宽度为40飞秒，其能量密度约为1毫焦耳每平方厘米。通过调整激光的偏振方向，可以控制两个THz脉冲的振幅，从而影响最终的椭圆度和手性。实验结果表明，当两个薄片的偏振方向严格垂直且间距合适时，能够生成具有高椭圆度的THz波，甚至接近完全的圆偏振。这一过程的非均匀性则源于频率依赖的相位分散效应，即不同频率成分在薄片间距变化时表现出不同的相位延迟。通过分析这些相位延迟，可以进一步优化THz波的偏振特性，使其在特定频率范围内实现最佳的手性控制。

此外，该方法还具有显著的工程应用潜力。由于其结构简单、操作灵活，且不需要复杂的光学系统，因此非常适合用于便携式设备和集成光学系统。在实际应用中，这一双薄片结构可以被集成到微型传感器或光子芯片中，用于实时监测和调控THz波的偏振特性。这不仅能够提高设备的性能，还能拓展其在生物医学、材料科学和量子信息处理等领域的应用范围。例如，在生物分子检测中，圆偏振THz波能够更有效地揭示手性分子的结构信息；在量子材料研究中，它可以用于探测自旋纹理和拓扑特性；而在通信和成像领域，其高可调性则能够支持更复杂的信号编码和解码过程。

研究团队还探讨了该方法在其他频率范围的适用性。由于NbOI?材料的结构特性，其不仅适用于THz波段，还可以用于紫外或可见光波段的偏振调控。这种跨频段的兼容性使得该方法具有更广泛的应用前景。例如，在紫外波段，可以利用该方法生成具有特定偏振特性的光脉冲，用于光刻、光谱分析或纳米材料的操控。而在可见光波段，该方法可以用于开发新型的偏振可调光源，以支持更精确的光学成像和光通信系统。

尽管该方法在THz波段表现出优异的性能，但仍存在一些潜在的挑战和限制。首先，薄片之间的间距和方位角需要精确控制，以确保相位差和振幅的匹配。其次，由于THz波的波长较长，薄片的厚度和材料特性对发射效率和偏振质量有较大影响。因此，在实际应用中，需要对薄片的材料选择、厚度控制以及衬底特性进行优化。此外，虽然该方法避免了传统偏振控制技术中的复杂光学配置，但在某些情况下，仍然需要外部激励源（如激光器）来实现手性光的生成，这在一定程度上限制了其在完全自主系统中的应用。

总体而言，本文提出的基于双薄片结构的手性THz发射器为手性光的生成和调控提供了一种全新的思路。该方法利用了NbOI?材料的双向辐射和偏振特性，结合简单的机械调整，实现了对THz波手性和椭圆度的灵活控制。这种设计不仅简化了实验装置，还提高了系统的效率和可调性，为未来开发紧凑、高效、可调的手性光源奠定了基础。随着材料科学和光学技术的不断发展，这种基于二维铁电材料的手性光源有望在多个领域中发挥重要作用，包括但不限于生物医学、量子信息处理、光通信和非线性光学等。