基于EIT超材料的太赫兹慢光效应研究进展

太赫兹（Terahertz, THz）波在无线通信、生物医学、无损检测、军用雷达等领域具有潜在的应用前景。研究THz慢光效应对THz通信和检测技术具有非常重要的实际意义。目前已报道的THz慢光效应研究还面临一系列问题。由于具有结构设计灵活和电磁特性可设计的特点,电磁诱导透明（Electromagnetically Induced Transparency,EIT）超材料为THz慢光效应提供了崭新的研究平台。介绍了基于EIT超材料的THz慢光效应的基本原理以及近年来的研究进展,并对THz慢光效应的发展趋势进行了分析和展望。     

太赫兹多波段的电磁诱导透明设计与分析

设计了一种超材料三维模型,由闭合方环和4个开口谐振方环通过正、反向双开口方环与闭合方环相互耦合来组成,在太赫兹范围内具有多波段电磁诱导透明(EIT)效应。该结构分别实现了在1.21、1.46、1.61、1.98 THz这四波段的电磁诱导透明现象,并且谐振强度均达到0.9左右。通过将结构单元进行拆分并相互对比分析,研究了该超材料结构产生多波段EIT效应的物理机理,并重点分析了开口大小、闭合方环尺寸对EIT强度与带宽的影响。通过对三维立体结构仿真分析可知,所设计的超材料不仅在多个波段获得了较高的折射率灵敏度,还具有高强度、多频点的慢光效应。因此,其在折射率传感与光缓存器件等领域,具有良好的应用前景。     

基于对称型齿波导和纳米盘的类EIT和慢光效应

设计了一种新型的基于金属表面等离子体激元（SPPs）的亚波长金属-绝缘体-金属（MIM）型类电磁诱导透明（EIT）系统,该系统由一个直波导及其两边对称的齿形腔和纳米盘耦合而成。利用耦合模式理论对结构进行分析,并通过时域有限差分方法（FDTD）进行数值模拟。当齿形腔和纳米盘的共振频率相近,可以获得类EIT效应,改变齿形腔的长度和纳米盘的半径可以调节透明窗的位置。该装置可以用作高性能的类EIT滤波器,透过率高达77.5%,半高宽低至35.5 nm,群指数高达65,为高度集成光网络提供了一种新的方法,可应用于波长选择器、超快开关、光存储等设备。     

太赫兹多谐振环偶极子超表面中的类EIT效应

设计了一种在太赫兹波段下的四谐振环偶极子超表面结构,超表面的单元结构由一对反向的非对称开口谐振环(ASRR)及基底介质组成。在其谐振谱中观察到1个典型的类电磁诱导透明(EIT)现象。利用法诺(Fano)谐振模型对这种电磁诱导透明谐振谱进行拟合,良好的拟合结果揭示了不同谐振模式之间的耦合作用。此外,研究发现谐振的电磁特性对金属谐振环的开口间距非常敏感,开口间距的改变带来了谐振的频移和Q值的变化。该多谐振环偶极子超表面不仅为实现EIT效应提供了有效途径,而且有利于开发更多的太赫兹功能器件。     

基于石墨烯超材料的可调谐电磁诱导透明

提出了一种基于石墨烯超材料的可调谐电磁诱导 透明(EIT)结构,该结构是由长条-半圆环形状的石墨烯层和 介质基底组成。通过频域有限差分法研究了该结构的特性,研究结果表明,由于石墨烯条和 石墨烯半圆环之间发生相互 作用,产生较弱的杂化,从而可以观察到EIT透明窗口。更重要的是,通过控制门电压,改 变石墨烯的费米能级,可以 在较宽的频率范围内实现透明窗口的动态调谐。通过调节石墨烯的费米能级,在透射峰附近 群延迟接近0.4ps。同时还研 究了石墨烯条和半圆环间的距离、圆环的半径、方位角等几何参数对EIT效应的影响,这些 因素的改变对EIT 效应产生 了不同的影响。本文设计的超材料结构可应用于调制器和慢光器件等,对光开关、光存储等 新型器件的设计有重要的指导意义。     

铯原子∧型塞曼子能级结构中的电磁诱导透明

采用左旋和右旋圆偏振光分别作为探测光和耦合光,作用于铯原子62S1/2F=3-62P3/2F′=2简并二能级系统,借助探测光的吸收光谱观察到了由简并二能级中A型塞曼子能级结构导致的电磁诱导透明(EIT)现象.同时研究了不同耦合光的强度和失谐对电磁诱导透明的影响.由于在多普勒展宽背景下圆偏振光对塞曼子能级间的光抽运,从而不同塞曼子能级上布居出现明显的差异,电磁诱导透明的作用程度有所不同.而且对于在扫描探测光频率时由于存在速度选择机制使探测光通过铯气室后的吸收谱线发生的畸变作了定性分析.     

铯原子Λ型塞曼子能级结构中的电磁诱导透明

采用左旋和右旋圆偏振光分别作为探测光和耦合光,作用于铯原子62S1/2F=3 62P3/2F′=2简并二能级 系统,借助探测光的吸收光谱观察到了由简并二能级中Λ型塞曼子能级结构导致的电磁诱导透明(EIT)现象。同 时研究了不同耦合光的强度和失谐对电磁诱导透明的影响。由于在多普勒展宽背景下圆偏振光对塞曼子能级间 的光抽运,从而不同塞曼子能级上布居出现明显的差异,电磁诱导透明的作用程度有所不同。而且对于在扫描探 测光频率时由于存在速度选择机制使探测光通过铯气室后的吸收谱线发生的畸变作了定性分析。     

铯原子A型塞曼子能级结构中的电磁诱导透明

采用左旋和右旋圆偏振光分别作为探测光和耦合光，作用于铯原子6^2S12F=3-6^2P32F’=2简并二能级系统，借助探测光的吸收光谱观察到了由简并二能级中A型塞曼子能级结构导致的电磁诱导透明(EIT)现象。同时研究了不同耦合光的强度和失谐对电磁诱导透明的影响。由于在多普勒展宽背景下圆偏振光对塞曼子能级间的光抽运，从而不同塞曼子能级上布居出现明显的差异，电磁诱导透明的作用程度有所不同。而且对于在扫描探测光频率时由于存在速度选择机制使探测光通过铯气室后的吸收谱线发生的畸变作了定性分析。     

一种基于电耦合的电磁诱导透明超材料

利用两种谐振结构之间的电耦合,设计了一种可以实现电磁诱导透明现象的新颖电磁超材料。该超材料通过将工作于同一谐振点(5.21 GHz)、不同品质因数(Q值)的金属谐振结构组合在一起,利用两者之间的近距离、高耦合实现了"亮模型"对"暗模型"的激励,从而实现了位于5.31 GHz处的诱导透明窗口,透射峰值达到0.85。并且从透射参数、表面电流、电磁场分布等方面分析了其工作机制。这种超材料在实现高性能微波天线罩等方面有着潜在的应用价值。     

铯原子气室中简并二能级系统的电磁诱导吸收

对于铯原子6^2S1/2(F=4)-6^2P3/2(F’=5)简并二能级系统，在一束较强的耦合光作用下，借助于弱探测光的吸收光谱观察到了电磁诱导吸收现象(EIA)；同时在F=4-F’=3及F=4-F’=4跃迁频率附近观测到了Ⅴ型三能级结构中的电磁诱导透明(EIT)。实验中还研究了耦合光场的强度和失谐对电磁诱导吸收的影响。对该系统中Zeeman子能级间的光抽运作用以及多个简并的二能级系统间相干作用的分析表明：由于光抽运作用的强度影响，Zeeman子能级上的布居数以及参与耦合的二能级的原子数，Zeeman子能级间的相干时间发生了变化，从而影响了电磁诱导吸收的增强峰的线宽以及吸收的强度。     

Electromagnetically induced transparency in terahertz metamaterial based on two-bright-mode resonator

An electromagnetically induced transparency (EIT) in metamaterial resonator with two bright modes and one dark mode at the terahertz (THz) band is numerically and experimentally demonstrated. Different from two kinds of the traditional passive modulations, our design can realize the passive modulation of EIT phenomenon by adding another bright mode resonator. Simulated and experimental results show that the transmission peak varies for incident THz waves with different polarization directions due to its asymmetric structure, which provides a novel way to realize high efficiency switch and modulation.     

Mollow谱线与电磁诱导透明和吸收的叠加

对双耦合场作用下的Λ型三能级系统的透明和吸收特性进行了理论研究。在二能级系统中,强耦合场和探测场同时作用于激发态能级和基态能级之间,探测吸收曲线上出现Mollow谱线。在激发态能级和基态的另一精细结构能级之间引入另一个耦合场,构成Λ型三能级系统。在这个双耦合Λ型三能级系统中,出现了一些新的量子相干现象。结果表明,探测吸收谱线中不仅有Mollow现象,还出现了电磁诱导透明(EIT)和电磁诱导吸收(EIA)。分析了EIT和EIA的位置随双耦合场参数的变化规律,并用缀饰态理论做出了解释。     

Electromagnetically induced transparency induced by a 100% amplitude-modulated coupling field

We present a study of electromagnetically induced transparency(EIT) under the excitation of a 100% amplitude-modulated(AM) coupling field.The EIT feature is associated with a Λ type three-level configuration where a coupling and probe field couples two separate optical transitions and it is well-known that the spectrum of the swept probe field gives a simple single transparency feature induced by the single mode coupling field.It is shown that when a 100% AM coupling field is applied,there is an EIT doublet...     

利用石墨烯-金属复合结构实现太赫兹电磁诱导透明超表面主动调控

近年来,在超表面中实现对电磁诱导透明的主动式调控引起了越来越多的研究兴趣。采用石墨烯-金属复合结构,设计并研制了一种新颖的调制策略,通过同时施加光泵和偏置电压改变石墨烯的电导率,在太赫兹波段实现了一种主动式电磁诱导透明超表面,其在透射窗口频率处的振幅调制深度可达73%。模拟和理论分析表明,其内在物理机理在于石墨烯对金属谐振结构的短接作用,石墨烯的电导率越大,短接效果越明显,谐振强度也越弱。该石墨烯-金属复合超表面为设计紧凑的主动式太赫兹光开关器件提供了一种实现途径,在太赫兹通信中具有潜在的应用前景。     

塞曼能级电磁诱导透明暗态的演化

利用数值方法研究了超精细能级分裂的原子系统中电磁诱导透明暗态随时间的演化和驻波光场中稳态布居的空间相关性。考虑圆偏振和线偏振两种极化方案 ，并且将组合后的结果与简单三能级情况相比较。分析结果表明，圆偏极化方式下暗态的布居分布比线偏极化方式下更接近简单三能级的分析结果，而且圆偏极化方式下的局域化分辨率更好。演化的过程还说明，系统达到稳态需要足够长的相互作用时间。     

基于亮模式调控的双频等离激元诱导透明超材料

设计了一种太赫兹波段双频等离激元诱导透明(DBPIT)超材料。该超材料由位于中央的空竹(Diabolo)型结构单元 和对称分布于其两侧的不同尺寸的两个开口谐振环(SRR)组合而成,空竹结构单元和两 个SRR分别充当该体系的亮、暗 模式谐振器。数值仿真结果表明,超材料透射频谱具有明显的双透明窗特征,通过调节亮 模式的几何尺寸,可以实现对双透 明窗透射幅度的调控。基于经典的三谐振子模型(three-oscillator model)及表面等 离激元(surface plasmon theory)理论, 阐述了DBPIT效应的物理机制:亮模式分别与两个暗模式之间的近场强耦合。亮模式采用 具有磁场增强功能的空竹结构, 有助于提高暗模式的磁场响应,进而大幅度增强亮、暗模式之间的耦合,达到提高透明 窗透射幅度的目的。这项工作为设计 具有高度灵活性的多波段功能器件(如慢光器件、可调谐传感器和多波段选择性开关器 件)开辟了新的途径。