徐新龙 史明坚 黄媛媛 刘慧彪 熊永臻

摘要：太赫兹波的产生与调控对太赫兹技术发展至关重要。超材料的可设计几何结构与特异共振响应为产生与调控太赫兹波提供了新的途径。但超材料产生太赫兹波辐射的转换效率较低仍然是一个亟待解决的问题。设计了一种由金属谐振环阵列和全介质硅开口谐振器组成的超材料。利用麦克斯韦方程联合表述电子运动的流体动力模型的自洽方程组，研究了该超材料的太赫兹波辐射与调控过程。研究发现，通过优化分裂谐振环的开口方向，超材料产生的太赫兹波振幅提高了1倍。此外，通过改变入射光偏振角及超材料的几何尺寸实现了太赫兹波振幅调控。这为基于超材料的，紧凑型和可调谐的太赫兹源提供了新途径。

关键词：超材料；太赫兹辐射；分裂谐振环；共振耦合效应

中图分类号：O 437 文献标志码：A

Terahertz wave radiation characteristics and enhancementbased on metamaterials

XU Xinlong，SHI Mingjian，HUANG Yuanyuan，LIU Huibiao，XIONG Yongzhen

（School of Physics， Northwest University， Xi'an 710127， China）

Abstract： The generationand manipulation of terahertz wave is crucialfor the advancement of terahertz technology. The designable geometry and specific resonance response of metamaterials offeranovelapproachforgeneratingandmanipulatingterahertzwaves. However，thelow conversionefficiencyof terahertzwavefrommetamaterialsremainsachallengingissuetobe addressed. In this paper， a metamaterial was designed which consisted of metal resonator ring array and all-dielectric silicon split ring resonators. The terahertz wave radiation and manipulation of the metamaterial were studied by using self-consistent equations consisting of Maxwell's equation and the hydrodynamic model of the electron motion. It was discovered that by optimizing the opening directionofthesplitringresonators，theamplitudeofterahertzwavesgeneratedbythe metamaterial was doubled. Furthermore， control over the amplitude of terahertz wave was achieved by altering both the polarization angle of incident light and the geometry of the metamaterial. This work opens up new possibilities for compact and tunable terahertz sources based on metamaterials.

Keywords： metamaterial; terahertz radiation; split ring resonators; resonance coupling effect

引言

超材料是一种单元结构在亚波长尺度的人工结构，经过特定的结构设计，其可产生独特的共振模式，如法诺（Fano）共振、米氏（Mie）共振、明暗模式耦合等，从而实现对电磁场的有效调控。基于优异的线性光学响应，超材料被广泛应用于电磁波的振幅、相位、偏振和传播特性的调控。特别是在太赫兹（terahertz ，THz）波段，超材料展现了在圆偏振转换[1]、电磁诱导透明[2-3]、手性传感[4]等应用中的巨大潜力。有关超材料的非线性光学响应研究，虽然在二次谐波产生[5]、三次谐波产生[6]及谐波圆二向色性[5]方面已有部分研究进展，但在基于超材料的 THz波产生研究领域仍然处于起步阶段，且关于超材料产生 THz 波的物理机理仍存在一定争议。……