Counter-propagating frequency mixing with Terahertz waves in diamond
利用克尔非线性效应实现的频率转换是紫外、可见、红外和中红外波段最常见和最具开发价值的非线性光学过程之一。在这里，我们表明可以在钻石中实现光场和太赫兹波的波混合，从而通过和频或差频产生实现太赫兹辐射的频率转换。在后一种情况下，我们表明，这个过程是相位匹配的，最有效的反传播的几何形状。
2012-12-12 physics.optics
Investigation of broadband terahertz generation from metasurface
非线性超材料已被证明提供具有高非线性转换效率的非线性特性，并且在无数的光操纵中。本文研究了由单层纳米开口环谐振器阵列构成的非线性超颖表面产生太赫兹波的特性。基于金属中电子动力学的流体动力学模型，研究了开口环谐振腔二阶非线性光整流产生太赫兹波的问题.结果表明，非线性超颖表面使我们能够产生宽带太赫兹辐射，并没有准相位匹配条件。该方案为宽带太赫兹光源和非线性等离子体超材料的设计提供了新的思路。
2018-06-03 physics.optics
Optical Kerr nonlinearity and multi-photon absorption of DSTMS measured by Z-scan method
研究了1.43 μm飞秒脉冲激发的DSTMS的光学克尔非线性和多光子吸收特性，该脉冲是差频产生太赫兹的最佳脉冲。DSTMS在1.43 μm处的MPA和光学克尔系数具有很强的各向异性，表明级联的二阶非线性效应起了主要作用。这些结果表明，太赫兹产生效率的饱和主要与MPA过程和DSTMS中级联的二阶混频引起的光谱展宽有关
2021-08-25 physics.optics
Terahertz All-Optical Modulation in a Silicon-Polymer Hybrid System
虽然千兆赫兹级的自由载流子调制器以前已经在硅中得到了证明，但由于硅的弱超快光学非线性，以太赫兹速度工作的强度调制器还没有报道。我们已经证明了在硅聚合物集成波导器件中光的强度调制，基于全光克尔效应-与四波混频中使用的超快效应相同。时域强度调制的直接测量是在10 GHz的速度。我们的实验表明，这种调制功能的超快机制，在光学频率通过光谱测量，并在超过1太赫兹的频率强度调制可以在这个设备中获得。通过将光学聚合物通过倏逝波耦合集成到高模限制硅波导，我们大大增加了交叉相位调制波导的有效非线性。高模式限制、多个集成光学元件和高非线性的组合产生了在与电信系统兼容的连续波功率水平下操作的全光学超快器件。尽管在消光方面远未达到商用射频光调制器标准，但这些器件是在硅中开发大规模集成超快光学逻辑的第一步，并且比先前报道的硅器件快两个数量级。
2006-06-28 physics.optics
Slow wave and truly rainbow trapping in one-way terahertz waveguide
慢波甚至截止电磁波由于在能量存储、光缓冲和非线性增强等方面的潜在应用而引起研究者的关注。然而，在大多数情况下的电磁波捕获，电磁波并没有真正被捕获，由于反射的存在。本文通过理论分析和数值模拟证明了一种新型的金属-半导体-超导体-金属（MSSM）结构，以及在太赫兹波段的锥形MSSM模型中的一种新型的真彩虹陷阱。更重要的是，我们设计的MSSM结构实现了光缓存、光开关、光滤波器等功能器件。由于这种新型光器件具有单向传输的特性，因此具有高性能，有望在集成光路中得到应用。
2021-02-10 physics.optics
Efficient Terahertz Generation in Triply Resonant Nonlinear Photonic Crystal Microcavities
提出了一种利用基于光子晶体腔的三重谐振系统，通过差频产生（DFG）过程实现腔增强非线性太赫兹波的方案。我们表明，高非线性重叠可以通过将太赫兹腔耦合到双共振、双偏振近红外（例如电信波段）光子晶体纳米束腔来实现，允许通过χ（2）非线性混合三个相互正交的基本腔模式。我们通过耦合模理论证明了泵浦频率的完全耗尽-即，量子限制转换-在实验上可行的几何结构中是可能的，其中在最佳总转换效率点处的操作输出功率可通过改变模式质量（Q）因子来调节。
2009-08-04 physics.optics
Extreme Terahertz Nonlinearity of AlGaN/GaN-based Grating-Gate Plasmonic Crystals
该研究提出利用光栅门等离激元晶体共振激发二维等离激元以增强太赫兹非线性，通过泵浦-探测技术观测到高达45%的相对透过率及超快弛豫，并建立非线性模型揭示机制，证明AlGaN/GaN在超快THz调制中具巨大潜力。
2025-03-04 cond-mat.mes-hall physics.optics
Parametric Amplification of a Terahertz Quantum Plasma Wave
光子学中的许多应用需要对等离子体波进行全光学操纵，这可以将电磁能量集中在亚波长长度尺度上。这在金属等离子体中是困难的，因为它们的光学非线性很小。一些层状超导体支持弱阻尼等离子体波，涉及电容耦合平面之间的超流体的振荡隧穿。这种约瑟夫森等离子体波（JPW）也是高度非线性的，并表现出惊人的现象，如合作发射的相干太赫兹辐射，超导金属振荡和孤子形成。我们在这里表明，太赫兹JPW在铜氧化物超导体可以通过立方隧穿非线性参数放大。参量放大对泵浦波和种子波之间的相对相位敏感，并且可以被优化以实现序参量相位波动或单个太赫兹光子器件的压缩。
2015-11-26 cond-mat.supr-con physics.optics
Efficient generation of extreme terahertz harmonics in 3D Dirac semimetals
固态平台上的太赫兹信号的倍频对于下一代高速电子设备和频率梳的创建是非常受欢迎的。然而，以适度的输入强度有效地生成太赫兹信号的极端谐波（高达$31^{\rm{st}}$谐波和更高）的解决方案仍然难以捉摸。使用完全非微扰模拟和互补的分析理论，我们表明，三维狄拉克半金属（DSM）具有巨大的潜力，作为紧凑的极端太赫兹谐波源，实现能量转换效率超过$10^{-5}$在$31^{\rm{st}}$谐波与输入强度的顺序$10$ MW/cm $^2$，超过$10^5$倍低于传统的太赫兹高次谐波发生系统。我们的理论还揭示了三维DSM的非线性光学的一个基本特征：一个独特的制度，其中高阶光学非线性消失，作为三维DSM中的额外维度相比，2D DSM的直接结果。我们的研究结果应该为基于3D DSM的高频太赫兹光源和光电子学的高效平台的开发铺平道路。
2020-03-25 cond-mat.other physics.optics
Metallic nanostructures as electronic billiards for nonlinear terahertz photonics
金属纳米颗粒的光学性质通常被认为是等离子体激元，光和准自由电子的耦合状态。在这里，我们预测，纳米结构内部的电子限制导致另一种非常不同的共振类型，这决定了在明显低于等离子体共振的频率范围内的光学性质。我们表明，紧密放置的约束诱导共振通常加入到一个单一的复合“超共振”，在低频产生巨大的非线性。我们的模拟表明，这种非线性可以用于有效的下转换的光泵太赫兹和中红外频率的亚微米器件的基础上的纳米颗粒复合材料。我们讨论了这些量子限制引起的共振与传统的等离子体激元的相互作用，以及不寻常的量子能级统计，在这里适应的范例的电子台球理论。
2023-03-27 cond-mat.mes-hall physics.optics
Grating-graphene metamaterial as a platform for terahertz nonlinear photonics
非线性光学由于其与光学和光电技术的相关性和潜力，是科学和技术应用的一个日益重要的领域。目前，人们正在积极寻找具有有效转换和小材料足迹的合适的非线性材料系统。理想情况下，材料系统应该允许芯片集成和室温操作。二维材料在这方面非常有趣。特别有前途的是石墨烯，它在太赫兹范围内表现出非常大的非线性。然而，二维材料中的光-物质相互作用长度本质上是最小的，因此限制了整体非线性光学转换效率。在这里，我们克服了这一挑战，使用超材料平台，结合石墨烯与光子光栅结构提供场增强。我们测量太赫兹三次谐波产生在这种超材料，并获得一个有效的三阶非线性极化率的大小为3 $\cdot$ 10 $^{-8}$ m $^2$ /V $^2$，或21 esu，基频为0.7太赫兹。这种非线性比我们在没有光栅的情况下获得的石墨烯大50倍。这样的增强对应于具有由于光栅而大三个数量级的强度的三次谐波信号。此外，我们证明了场转换效率高达$\sim$ 1%的第三次谐波使用中等场强的$\sim$ 30 kV/cm。最后，我们表明，谐波超出第三次增强更强烈，使我们能够观察到高达9 $^{\rm th}$谐波的签名。因此，光栅-石墨烯超材料构成了商业上可行的、CMOS兼容的、室温的、芯片集成的THz非线性转换应用的杰出平台。
2020-09-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Gallium arsenide whispering gallery mode resonators for terahertz photonics
本文提出一种砷化镓圆盘回音壁模式谐振器，通过单点金刚石车削制造，在太赫兹频段实现高Q值，并演示金属诱导的蓝移，可用于太赫兹非线性光学与集成光子平台。
2023-06-20 physics.app-ph physics.optics
Giant enhancement of terahertz high-harmonic generation by cavity engineering of a three-dimensional Dirac semimetal
TU Dortmund University（多特蒙德工业大学）；CNR-Istituto Nanoscienze（国家研究委员会纳米科学研究所）；Scuola Normale Superiore（比萨高等师范学院）；University of Basel（巴塞尔大学）；Fudan University（复旦大学）；Shanghai Research Center for Quantum Sciences（上海量子科学研究中心）；Beijing Academy of Quantum Information Sciences（北京量子信息科学研究院）
本研究通过对三维狄拉克半金属Cd₃As₂进行超表面微腔工程，增强太赫兹近场强度，实现太赫兹高次谐波产率巨幅提升，实验结果验证了相关理论预测。
2026-08-17 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el physics.optics
Self-phase modulation of a single-cycle terahertz pulse by nonlinear free-carrier response in a semiconductor
我们演示了自相位调制（SPM）的单周期太赫兹脉冲在半导体中，使用体n-GaAs作为模型系统。SPM起因于太赫兹脉冲的电场中的自由电子的加热，导致等离子体频率的超快降低，并且因此导致材料的太赫兹范围介电函数的强烈修改。THz SPM直接在时域中观察到。在频域中，它对应于一个强的频率依赖性的折射率非线性的n-GaAs，被发现是积极的和消极的广泛的太赫兹脉冲频谱内，与零交叉点定义的电子动量弛豫率。我们还观察到了太赫兹脉冲的非线性光谱展宽和压缩。
2012-02-23 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other physics.optics
Spatio-temporal Modulation Instability of Surface Plasmon Polaritons in Graphene-dielectric Heterostructure
利用雅可比椭圆函数，给出了石墨烯-介质波导中表面等离子体激元（SPP）非线性振幅方程的解析解。结果表明，提高太赫兹光的非线性度，可以增强太赫兹光与表面等离子体的场局域化。另一方面，基于分裂步进光束传播法（SSBPM）的数值解表明，空间调制不稳定性（MI）可能是主导的。因此，较大的非线性导致离散等离子体激元孤子的产生，而不是适度非线性导致的衍射轮廓。然后将时间变化加入非线性振幅方程，用预估-校正法进行数值求解，发现时间MI表现为多周期的超短脉冲串。由于波导与激光谐振腔的相似性，可以将波导看作一个大非线性的空间系统，在这种空间系统中，随着耦合深度的增加，MI的性质将由对流型变为绝对型，SPP的振幅将快速增长。这个过程甚至可能是混乱和不可预测的。该系统适用于以低功耗和非破坏性为重要特征的光电路、光放大、光通信和生物医学传感等领域。
2020-09-12 physics.optics
Monolithic lithium niobate photonic chip for efficient terahertz-optic modulation and terahertz generation
本文提出一种石英衬底薄膜铌酸锂单片光子芯片，利用二阶非线性实现高效太赫兹-光调制与高达500 GHz的连续太赫兹波产生，显著降低调制功耗并提升产生效率，为紧凑高效太赫兹系统奠定基础。
2024-06-28 physics.app-ph physics.optics
Maxwell-Hydrodynamic Model for Simulating Nonlinear Terahertz Generation from Plasmonic Metasurfaces
本文提出一种时域流体动力学模型，用于模拟等离子体超材料的线性和非线性响应，通过并行FDTD方法验证了该模型在太赫兹发射中的应用。
2017-09-18 cond-mat.mes-hall cs.NA math.NA
Four-wave Mixing of Topological Edge Plasmons in Graphene Metasurfaces
我们研究了拓扑保护的四波混频（FWM）相互作用在等离子体元表面组成的周期性阵列的纳米孔在石墨烯片，表现出宽的拓扑带隙在太赫兹频率时，由静态磁场的时间反演对称性的破坏。我们表明，由于显着的非线性增强和大的寿命的石墨烯等离子体在特定的配置，拓扑带隙内的等离子体边缘态的四波混频相互作用的净增益可以实现与泵浦功率小于10 nW。特别地，我们发现有效波导非线性系数约为1.1 × 10^13 1/（Wm），即，比通常使用的高度非线性硅光子纳米线大十个数量级以上。这些发现为在量子通信和信息处理中开发超低功耗、高集成度和鲁棒的深亚波长有源光子系统铺平了新的道路。
2019-08-15 physics.optics
Propagation-induced limits to high harmonic generation in 3D Dirac semimetals
三维狄拉克半金属（DSMs）是一种很有前途的太赫兹高次谐波产生材料。我们表明，三维DSM的高非线性开辟了一个制度的非线性光学极端亚波长电流密度的特点，在纳米级的传播距离内的驱动场。我们的研究结果揭示了较厚的3D DSM膜的HHG强度的数量级增强，并表明这些亚波长特征从根本上限制了HHG增强超过最佳膜厚度。HHG强度的这种超过最佳厚度的降低构成了有效的传播诱导的退相。我们的研究结果突出了极端光学非线性纳米薄膜中传播动力学的重要性。
2021-06-18 cond-mat.other physics.optics
Predicting THz Generation Capability of Organic Crystals through Data Mining and Crystal Nonlinearity Models
Brigham Young University（杨百翰大学）
该研究通过数据挖掘结合DFT计算与非线性模型，预测有机晶体的太赫兹产生能力，筛选出性能优于现有材料的候选晶体，提出应采用综合方法评估单晶非线性光学性质。
2026-08-26 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Unveiling the detection dynamics of semiconductor nanowire photodetectors by terahertz near-field nanoscopy
半导体纳米线场效应晶体管由于其传输特性的强非线性以及其低噪声等效功率（< 1 nW/Hz $^{1/2}$）和高响应度（> 100 V/W）的显著组合而代表了用于开发室温（RT）太赫兹（THz）频率光探测器的有前途的平台。纳米工程的NW光电探测器相结合的高灵敏度与高速度（亚纳秒）在太赫兹制度在RT是非常可取的许多前沿应用在量子光学和纳米光子学，但这需要一个清晰的理解的起源的光响应。然而，由于允许同时激活不同过程的固有设备不对称性，传统的电学和光学测量不能明确地确定主导检测机制。在这里，我们创新地捕捉快照的光响应的个人InAs纳米线通过高空间分辨率（35 nm）太赫兹光电流纳米显微镜。通过将太赫兹量子级联激光器耦合到散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）并监测电学和光学读数，我们同时测量传输和散射特性。空间分辨的电响应提供了明确的签名的光热电或测辐射热电流的相互作用进行了讨论，作为光子密度和材料掺杂的函数，因此提供了一种途径，工程师的光响应设计。
2020-11-21 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det physics.optics
Beyond the effective mass approximation: predictive theory of the nonlinear optical response of conduction electrons
本文对传导电子在太赫兹电场作用下的非线性光学响应进行了实验和计算研究。我们的观察结果（饱和吸收和振幅依赖的基团折射率）可以理解的有效质量近似的故障的定性水平。然而，预测的非线性理论描述一直失踪。我们提出了一个基于半经典电子动力学模型，一个现实的能带结构，和自由电子Drude参数准确计算的实验观测值在InSb。我们的研究结果开辟了一条道路，半导体，超材料，以及在太赫兹等离子体的高场效应的导电电子光学非线性的预测建模。
2016-09-28 cond-mat.mes-hall physics.optics
Melting of excitonic insulator phase by an intense terahertz pulse in Ta$_2$NiSe$_5$
本研究探讨了Ta$_2$NiSe$_5$对太赫兹脉冲的光学响应，发现强电场通过量子隧穿诱导激子解离产生载流子，导致激子相部分熔化与金属化，且其机制不同于强光激发。
2023-09-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Giant optical nonlinearity cancellation in quantum wells
在共振激发的纳米结构中，二阶光学非线性可以大大增强几个数量级，理论预测和实验研究在各种半导体系统中。这些共振非线性不断吸引人们的注意，特别是在新发现的材料中，但往往不像目前预测的那样有效。这限制了它们在频率转换中的利用。在这里，我们提出了一个明确的理论和实验证明，二阶非线性极化率可以变化的数量级，作为一个巨大的抵消效应的结果，在系统中的许多限制量子态。使用太赫兹量子级联激光器作为模型源，调查带间和子带间的共振非线性，我们表明，这些巨大的取消是轻和重空穴状态的干扰二阶非线性贡献的结果。以及重要的理解和工程材料的共振光学特性，这项工作可以作为一个新的，非常敏感的工具来阐明复杂的量子阱系统的能带结构特性。
2019-01-04 cond-mat.other physics.optics quant-ph
Strategies to enhance THz harmonic generation combining multilayered, gated, and metamaterial-based architectures
本研究通过结合多层设计、电门控和金属超表面基底，增强石墨烯基结构中的太赫兹三次谐波产生，实验测得增强因子超三十，并提出了可实现两个数量级增强的架构，推动太赫兹频率转换技术发展。
2024-05-27 physics.app-ph physics.optics
