太赫兹辐射偏振态调控之新方案-单层二硫化钨的光整流效应

太赫兹是电磁频谱中唯一以其频率命名的波段，其范围通常定义为0.1～10 THz （1 THz= 1012 Hz），处于远红外和微波之间，是电子学向光子学过渡的频段。早期，受有效太赫兹波产生和探测方法的限制，使得该波段的科学研究一直处于“空隙”阶段（“THz gap”），成为电磁频谱中最后需要深入探究的波段。直到90年代初，随着飞秒激光器和非线性光学的快速发展，高功率的太赫兹源和高灵敏的太赫兹探测器才得以发展。近年来，随着先进纳米材料的发展，将太赫兹技术与纳米材料科学相结合，形成了一门新的“太赫兹纳米”（“TeraNano”）交叉学科。太赫兹技术为纳米材料在太赫兹波段的物理性质以及非线性光学过程研究提供了新的工具，而且有助于理解纳米材料表面与界面的超快光电响应过程；另一方面纳米材料科学也进一步促进基于纳米材料的太赫兹光电子器件的发展，尤其是有望促进太赫兹功能器件向微型化和集成化发展。

过渡金属硫族化合物如二硫化钼（MoS2）和二硫化钨（WS2）等，为典型的类石墨烯层状二维纳米材料，表现出强的二次谐波产生、层数依赖的光致发光和自旋轨道耦合引起的自旋依赖的光电特性。在太赫兹波段，这类材料具有低吸收损耗，皮秒甚至飞秒量级的超快载流子动力学响应特性，从而在新型太赫兹功能器件的研究中展现出广阔的应用前景。近期，西北大学光子学与光子技术研究所徐新龙教授研究团队研究了单层二硫化钨在线偏振和圆偏振飞秒激光激发下产生偏振太赫兹发射光谱的特性。实验结果表明，在800 nm飞秒激光的激发下，偏振太赫兹发射主要是基于面内非线性偶极子的光整流效应，这与块状二硫化钨晶体基于表面场效应的太赫兹辐射机理完全不同。通过二阶非线性理论推导，验证了太赫兹辐射电场强度与方位角和入射偏振角的依赖关系。此外，当单层二硫化钨在圆偏振光激发下时，圆极化光整流效应可引起椭圆偏振的太赫兹辐射，且其偏振态可直接通过改变激发光的偏振进行调控。实验结果表明，太赫兹辐射的椭圆率在圆偏振激发下可达到最大值e≈0.52。该研究结果不仅加深了对二硫化钨等过渡金属硫族化合物二阶非线性特性的理解，并且有助于二维太赫兹发射源、偏振器等光电子器件的设计、制作与优化。

相关内容发表在Advanced Optical Materials（DOI: 10.1002/adom.201801314）上，通讯作者为徐新龙教授，第一作者为其博士生张隆辉。