太赫茲輻射偏振態調控之新方案-單層二硫化鎢的光整流效應

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），處于遠紅外和微波之間，是電子學向光子學過渡的頻段。早期，受有效太赫茲波產生和探測方法的限制，使得該波段的科學研究一直處于“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的快速發展，高功率的太赫茲源和高靈敏的太赫茲探測器才得以發展。近年來，隨著先進納米材料的發展，將太赫茲技術與納米材料科學相結合，形成了一門新的“太赫茲納米”（“TeraNano”）交叉學科。太赫茲技術為納米材料在太赫茲波段的物理性質以及非線性光學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過程；另一方面納米材料科學也進一步促進基于納米材料的太赫茲光電子器件的發展，尤其是有望促進太赫茲功能器件向微型化和集成化發展。

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，表現出強的二次諧波產生、層數依賴的光致發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響應特性，從而在新型太赫茲功能器件的研究中展現出廣闊的應用前景。近期，西北大學光子學與光子技術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下產生偏振太赫茲發射光譜的特性。實驗結果表明，在800 nm飛秒激光的激發下，偏振太赫茲發射主要是基于面內非線性偶極子的光整流效應，這與塊狀二硫化鎢晶體基于表面場效應的太赫茲輻射機理完全不同。通過二階非線性理論推導，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系。此外，當單層二硫化鎢在圓偏振光激發下時，圓極化光整流效應可引起橢圓偏振的太赫茲輻射，且其偏振態可直接通過改變激發光的偏振進行調控。實驗結果表明，太赫茲輻射的橢圓率在圓偏振激發下可達到最大值e≈0.52。該研究結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射源、偏振器等光電子器件的設計、制作與優化。

相關內容發表在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。