器件实验测试优化方法

偏振测试光路如图5.28(b)所示,THz波是通过800 nm的飞秒脉冲激发光电导天线产生的,探测是基于Zn Te晶体的电光采样原理,其中入射和最后探测的THz波的偏振态都是沿y轴方向的线偏振光。此外,为了实现对偏振态的测定,我们在样品后面放置了偏振片,将其旋转可以得到45°和-45°的正交偏振分量,再通过斯托克斯参量就可以推导出透过样品的偏振态。此外,CNT@Grating样品的CNT1沿图中x轴方向排布,CNT2沿y轴方向排布。

图5.28　

(a)CNT@Grating的三维示意图;(b)偏振测试光路[13]

根据上述实验系统,我们分别对四组样品进行了实验测试,对应的时域光谱如图5.29所示。以上下表面铺设15层CNT的介质光栅(记为15-CNT@Grating)为例进行介绍。除此之外,又测试了仅在背面铺设15层CNT的介质光栅(记为15-CNT@Grating Back)、单个介质光栅和上下表面铺设15层CNT的硅(记为15-CNT@Si)三组样品作为对比。从图5.29(a)能看出样品15-CNT@Grating在45°和-45°下时域信号的主脉冲之间存在明显的相位延迟,但是两条曲线的振幅相当。值得注意的是,其中一条谱线反转后与另一条谱线可以近似重合。这间接反映出在特定频率下45°和-45°分量满足以下条件：

式中,t 45°和t-45°分别表示45°和-45°分量的振幅;φ45°和φ-45°分别表示45°和-45°分量的相位;Δφ(f)为相位差。

图5.29　四组样品在偏振片旋转至45°和-45°时的THz时域光谱[13]

(a)15 CNT@Grating;(b)15 CNT@Grating Back;(c)单个介质光栅;(d)15 CNT@Si

图5.29(b)表示只在介质光栅背面铺设了15层CNT的时域光谱,虽然两条谱线之间也存在一定的相位延迟,但是它们的振幅幅值差别较大。同样地,对于只有介质光栅时45°和-45°时的时域谱线的振幅幅值差距也较大,如图5.29(c)所示。而对于第四组样品15-CNT@Si,由于缺少了介质光栅,两条时域谱线完全重合,不存在相位延迟,此外由于前后两层CNT正交排布导致其透过率也非常低,如图5.29(d)所示。

对时域光谱进行傅里叶变换,可以得到对应的频域信息,包括透过率谱和相位谱。四组样品的振幅透过率谱如图5.30所示,对于15-CNT@Grating,45°和-45°正交分量的振幅在0.4~0.95 THz大致相等,约为0.5,如图5.30(a)所示;对于15-CNT@Grating Back,它只在中心频率0.72 THz处的透过率较高,如图5.30(b)所示;对于单个介质光栅,两条谱线的透过率差别较大,而15 CNT@Si的透过率很低,不到0.2。

前面提到,若要实现线偏振光的正交偏振转换,需要满足两个条件,即式(5.13)和式(5.14)。从上面的讨论可以知道,只有前后铺设了CNT的介质光栅能满足这样的条件。因此,接下来我们只研究不同层数下CNT@Grating的偏振特性,并与单个介质光栅进行对比分析。

图5.30　四组样品在偏振片旋转至45°和-45°时的振幅透过率谱[13]

(a)15 CNT@Grating;(b)15 CNT@Grating Back;(c)单个介质光栅;(d)15 CNT@Si

图5.31(a)给出了单个介质光栅和铺设了不同层数(5层、15层、20层)CNT的复合结构在45°和-45°分量之间的相位差。其中,黄色线代表单个介质光栅的相移谱,它随频率单调递增,在0.72 THz处可以实现πrad的相移。相比之下,CNT@Grating在0.4~0.95 THz内可以实现近似πrad的相移,并且随CNT层数的增加,曲线越平滑。因此可以通过调节CNT层数对器件色散进行调控。(www.xing528.com)

图5.31　

(a)单个介质光栅和铺设了不同层数(5层、15层、20层)CNT的复合结构在45°和-45°分量之间的相差;(b)偏振转换下的旋转角β[13]

在得到了45°和-45°偏振分量的振幅和相位之后,由斯托克斯参量可以得到透过样品的偏振态,公式如下：

式中,β、χ分别表示线偏振光入射下出射光的偏振旋转角和椭偏度;a、b分别表示偏振椭圆的长轴和短轴。其中,偏振旋转角β的曲线如图5.31(b)所示,若出射光能够实现正交的线偏振转换,则β应该等于90°。对于单个介质光栅来说,其旋转角谱线呈抛物线形,在中心频率处β只有75°左右。而上下表面铺设CNT的样品在0.4~1.2 THz内β均接近90°,且随着层数的增加,带宽逐渐变大。

借助式(5.15)可以计算得到出射THz波的偏振椭圆的椭偏度和长短轴,进而确定偏振态。图5.32给出了单个介质光栅和铺设了5、15、20层CNT的复合结构在不同频率下出射光的偏振态。单个介质光栅的结果如图5.32(a)所示,它在各个频率下均为椭圆偏振,而上下表面铺设CNT的样品的偏振态近似为线偏振,并且随着CNT层数的增加,线偏度越来越好。对于铺设了20层CNT的介质光栅来说,其在0.8 THz处可以认为是完美的线偏振,如图5.32(d)所示。

综上所述,CNT@Grating对于线偏振光具有更好的正交偏振转换能力,而单个介质光栅和只在背面铺设CNT的样品,由于缺少上下两层CNT的约束,其偏振转换能力受到一定限制。

为了阐述CNT@Grating的偏振转换机理,图5.33给出了器件的传输示意图和电场分布图。如图5.33(a)所示,当一束y方向的线偏振光入射到器件上时,它可以自由地通过CNT1进入亚波长光栅,由于介质光栅只在0.72 THz处才能满足πrad相移的条件,因此经过介质光栅的大多数分量被转换为椭圆偏振光,仅椭圆偏振光中的x分量可以直接从CNT2输出,其余部分被CNT2反射回到介质光栅。被CNT2反射的偏振分量将不断地在CNT层之间来回振荡,并且每次经介质光栅后,在其偏振转换作用下,总会有新的x偏振分量产生并从CNT2输出,并使得远离πrad相移频率处的偏振分量也可以经振荡实现偏振转换。因此CNT的存在,增强了复合器件的线偏振转换能力,拓展了器件的工作带宽。

图5.32　单个介质光栅和铺设了不同层数(5层、15层、20层)CNT的复合结构在0.4 THz、0.6 THz、0.8 THz和0.9 THz频率下出射光的偏振态[13]

(a)单个介质光栅;(b)5 CNT@Grating;(c)15 CNT@Grating;(d)20 CNT@Grating

图5.33　

(a)CNT@Grating的偏振转换示意图;(b)CNT@Grating在0.8 THz处的电场分布;(c)单个介质光栅在0.8 THz处的电场分布;(d)CNT@Grating在0.2 THz处的电场分布[13]

为了验证以上解释,利用CST软件模拟了器件的电场分布,如图5.33(b)~图5.33(d)所示。仿真中,我们为CNT建立了等效光栅模型,光栅常数设为500 nm,栅脊宽度为100 nm。基于CNT良好的导电性能,电导率设置为4×105 S/m。如图5.33(b)和图5.33(c)所示,发现THz波在CNT@Grating和单个光栅结构的上下表面以及光栅之间具有明显的谐振效应。而且相比单个光栅,CNT@Grating在栅槽之间的谐振效应更加显著。此外,CNT@Grating背面的谐振强度相比单个光栅来说弱一些,这表明CNT2的存在改善了器件的阻抗匹配,降低了器件的插入损耗。因此,CNT1和CNT2的存在显著地提高了器件的偏振转化效率,并扩展了工作带宽。图5.33(d)为CNT@Grating在0.2 THz处的电场分布,由于该频率远离介质光栅的工作频段,入射线偏振光不能实现正交偏振转换,因此没有电场分量可以从器件中输出。

本节将CNT与介质光栅结合,从理论和实验上研究了CNT@Grating的偏振转换性能和CNT对介质光栅的色散调控能力。器件中上下两层CNT起到起偏和检偏的作用,介质光栅起到偏振波片的作用。通过与单个介质光栅对比分析,发现CNT@Grating内部存在类Fabry Perot腔的局域共振效应,显著地增强了器件的偏振转化效率,扩展了器件的工作带宽。此外,通过调节CNT的层数不仅可以控制器件的色散和阻抗,还影响着器件的性能,CNT的层数越多,其偏振度越高,色散越小,但是透过率会变低。相比之下,我们认为铺设15层CNT的CNT@Grating效果最佳。