一、导读
波前调制器件的研究对太赫兹技术的发展至关重要。为了克服太赫兹波与所选响应材料之间弱相互作用的阻碍，太赫兹（THz）吸波器的多域动态调制通常需要多种外部刺激的协同作用（包括电压、光泵浦、温度和磁场），这不可避免地使结构设计复杂化并延缓调制时间。
2023年11月，福建省太赫兹功能器件与智能传感重点实验室在国际知名期刊《Nanoscale》（中科院2区TOP，IF:6.7）发表了题为“An ultra-broadband frequency-agile terahertz perfect absorber with perturbed MoS2 plasmon modes”的文章，并以封面形式报导。论文提出了一种基于微扰表面等离激元模式的太赫兹吸波器，仅需单一的电压外部刺激，即可在全反射棱镜和MoS2之间的深亚波长夹层中诱导敏感的介电响应和独特的双相位奇点现象，从而在超宽带频率范围实现完美吸收峰的快速调节。该吸波器结构克服了太赫兹谐振系统的工作频带限制，为宽带可调谐吸波应用提供了新的设计方案。福建省太赫兹功能器件与智能传感重点实验室2021级博士研究生钟宇杰为本论文的第一作者，实验室主任钟舜聪教授和实验室黄异老师是本文的共同通讯作者。
二、内容简介
本文提出的太赫兹吸波器基于改进的奥托构型，利用全反射棱镜耦合的电驱动MoS2激发太赫兹表面等离激元。小于倏逝波衰减长度的深亚波长夹层能够扰动表面等离激元的传播衰减，使腔内局域的电场能量被重新分配。通过调节MoS2的载流子浓度，吸波器可以实现谐振峰的宽带频移，并维持近完全吸收的幅值。
Figure 1.The structure and characteristics. (a) Schematic diagram of the proposed THz absorbing structure. (b) The electric field distribution. (c) Absorption spectra with varying carrier concentration n of MoS2.
Figure 2.Perturbed plasmon modes induced susceptible dielectric response. (a) The analytical effective permittivity in the operating frequency. (b) Effective permittivity profiles and trends from microwave to infrared regions. (c) Dispersion relation of SPP supported by perturbed MoS2 plasmon modes with varying n.
采用传输矩阵法数值计算分析了MoS2载流子浓度和夹层厚度变化对吸收性能的影响，数值模拟的变化规律与COMSOL的仿真结果相一致，表明吸波器具有频率捷变性能。
Figure 3.The frequency agility. (a) The absorption heatmap of the absorber. (b) Numerical and simulation results of resonant frequency shifts. (c) The absorption heatmap as functions of frequency and interlayer thickness.
为了阐明该吸波器的超宽带频率捷变吸收机制，利用时间耦合模理论分析其相位行为。理论结果表明微扰的等离激元模式诱导了反射相位的奇特变化，包括急剧相位跳变、往复暗点跨越和双相位奇点现象。
Figure 4.The singular phase jump behavior. (a) Phase spectra corresponding to the variation of absorption spectra. (b) The parametric reflection coefficient against frequency changes on a complex plane. (c) Showcasing two phase singularities with temporal coupled mode theory.
因此，仅在单一外部刺激（电压调制）条件下，该系统即可激发内部的两次临界耦合。相较于常规的非临界或单临界耦合谐振系统，能够显著抑制谐振峰随大尺度频移导致的幅值衰减并拓宽吸波调谐范围。
Figure 5.Absorption amplitude gains. (a) Coordinates of the radiative coupling rate and intrinsic dissipative rate change with n increasing. (b) The heatmap of the maximum absorptivity with different interlayer thickness. (c) The maximum absorptivity changes with n increasing.
三、总结
论文全面考虑了棱镜耦合吸收系统中近场介电环境的动态变化对表面等离激元极化波的正向扰动，利用电调谐的二维材料MoS2来维持波矢匹配条件，使该吸波器在超宽带频率范围内支持强约束的等离激元模式。并且通过传输矩阵方法和时间耦合模理论深入研究了太赫兹波传播的反射相位变化，结果表明近场微扰诱导的双相位奇点有效地抑制了吸收谐振系统的失谐。最终，该太赫兹吸波器具有WRTR=175.4%的相对调谐范围，展现出有源频率选择、相位跳变和振幅补偿特性。所讨论的微扰等离激元模式还有望扩展至其他频段的完美吸波器设计，在高性能光电调制器件方面颇具应用潜力。
DOI: 10.1039/D3NR04865A
