Controlling light with light using coherent meta-devices: all-optical transistor, summator and invertor
虽然大量的信息是通过光纤中的光子传输的，但大多数数据处理都是以电子方式进行的，这就造成了臭名昭著的“信息瓶颈”，并以越来越不可持续的速度消耗能源。光子器件直接操纵光的潜力仍然没有实现，主要是由于缺乏具有强，快速光学非线性的材料。在本文中，我们表明，小信号放大器，summer和逆变器功能的光信号可以实现使用四端口设备，利用相干相互作用的光束在平面等离子体超材料，假设没有固有的非线性。端口之间的能量重新分配可以在单光子水平上进行相干控制，具有太赫兹带宽并且不会引入信号失真，从而为新型光学数据处理架构，复杂性预言机和正在成为主流电信议程的一部分的局部相干网络提供了强大的机会。
2016-04-19 physics.optics
Highly efficient broadband THz upconversion with Dirac materials
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（德累斯顿-罗森多夫赫尔姆霍兹中心）；Universität Würzburg（维尔茨堡大学）；Technische Universität Dresden（德累斯顿工业大学）；Technische Universität Dortmund（多特蒙德工业大学）
利用狄拉克材料实现高效宽频带太赫兹上转换，通过高迁移率HgTe异质结构实现亚太赫兹信号到多个太赫兹波段的转换，提升太赫兹通信的数据传输速率。
2024-12-22 physics.optics
Broadband Transistor-Injected Dual Doping Quantum Cascade Laser
提出了一种新型的晶体管注入双掺杂量子级联激光器（TI-D2 QCL），这种激光器在均匀超晶格的每个叠层中具有两种不同的掺杂。通过调节双极晶体管的基极-发射极偏压Vbe以在双掺杂区中提供电子，可以实现电荷准中性以在每个级联超晶格堆叠中产生不同的光学跃迁。然后，这些跃迁被堆叠和放大，以有助于宽平坦的增益谱。对所设计的TI-D2 QCL的模型计算表明，可以获得相对带宽为0.24的平坦增益谱，增益范围为9.41 ~ 12.01 μ m，表明双掺杂模式的TI-D2 QCL可能为中红外和太赫兹波段的宽带光产生和先进的频率梳技术开辟一条新的应用途径。
2020-12-06 physics.app-ph physics.optics
Very-Large-Scale Reconfigurable Intelligent Surfaces for Dynamic Control of Terahertz and Millimetre Waves
本文提出融合石墨烯调制器与TFT技术的超大规模可重构智能表面，实现大面积太赫兹波强度与相位动态调控，并展示单像素毫米波成像，为太赫兹通信与成像提供新路径。
2024-04-27 physics.app-ph physics.optics
Near-field terahertz probes with room-temperature nanodetectors for subwavelength resolution imaging
太赫兹（THz）波的近场成像正在成为光子学基础研究以及物理和生命科学的强大技术。通过放置在近场的小孔收集来自物体的太赫兹波，可以实现超过衍射极限的空间分辨率。然而，通过亚波长尺寸孔径的光透射从根本上受到光的波动性质的限制。在这里，我们设想了一种新的架构，利用固有的强大的倏逝太赫兹场内产生的光圈，以减轻消失传输的问题。亚波长孔径最初耦合到非对称电极，其激活由黑磷或InAs纳米线薄片制成的晶体管通道中的热电THz检测机制。所提出的新型太赫兹近场探针能够用3.4太赫兹量子级联激光器实现室温亚波长分辨率相干成像，为紧凑和多功能的太赫兹成像系统铺平了道路，并有望弥合空间分辨率从纳米级到衍射极限的差距。
2019-03-14 physics.app-ph physics.optics
Multi-octave spectrally tunable strong-field Terahertz laser
理想的激光源，为新兴的研究领域的非线性太赫兹（THz）光谱应提供辐射具有很大的通用性，并提供超高强度的多倍频程跨越单周期脉冲和用户可选的多周期脉冲在窄线宽。缺乏这样的桌面源阻碍了许多THz学科的发展，包括成像，非线性光子学和光谱学，凝聚态物质和量子系统的选择性非平衡激发。在这里，我们介绍了一个高度通用的桌面太赫兹激光平台，提供单周期GV/m瞬态以及光谱窄脉冲可调的带宽和中心频率在5个倍频程与数百MV/m的场强。紧凑的计划是基于在有机晶体中的时间调制的激光束的光学整流。它允许通过直接改变驱动激光器的调制周期来选择从1到>50的THz振荡周期和从0.5到7 THz的中心频率调谐范围。太赫兹源的多功能性通过提供宽带5倍频程跨越频谱以及在全光整流相位匹配频带上可调谐的频谱窄线来证明，该频带具有最小宽度dv=30 GHz，对应于dE=0.13 meV和λ ^-1=1.1 cm-1。所提出的桌面源显示出类似于甚至超越大规模THz电子加速器设施的性能，但在超低定时抖动下提供了多功能多色和先进的飞秒泵浦探测机会。
2016-08-18 physics.optics
Terahertz topological photonics for on-chip communication
现代多核处理器和大数据服务器中的计算速度不再受片上晶体管密度的限制，该密度遵循摩尔定律，每两年翻一番，而是受存储器和微处理器内核之间的片上数据通信的限制。实现集成的、低成本的、高效的高速片上数据通信解决方案需要太赫兹（THz）互连波导，这在未来的THz技术（包括THz波集成电路和THz通信）中具有巨大的意义。然而，太赫兹波导的传统方法遭受缺陷的敏感性和在急弯处的相当大的弯曲损耗。在这里，基于最近发现的光的拓扑相位，我们实验证明了低损耗，全硅芯片上的强大的太赫兹拓扑谷传输。我们发现，谷极化拓扑扭结态表现出统一的整体带隙传输后，即使通过10个尖角传播。这种状态是优秀的信息载体，由于其鲁棒性，单模传播，和线性色散的关键属性为下一代太赫兹通信。通过利用扭结状态的独特属性，我们以前所未有的数据速率（10 Gbit/s）和未压缩的4K高清视频传输，通过高度扭曲的畴壁实现了无差错通信。我们的工作提供了THz波拓扑相位的第一个实验演示，这肯定会激发对二维和三维中不同类型拓扑相位的大量研究。
2019-04-04 physics.app-ph physics.optics
Dual-Wavelength Cancellation of Dispersion-Induced Phase Noise in Opto-Terahertz Fiber Links
Boulder Research Lab, IMRA America, Inc.（IMRA美国公司博尔德研究实验室）
本文提出利用双波长布里渊激光与双通道回程噪声消除架构，在38公里标准单模光纤上实现光-太赫兹载波的相位相干分布，有效抑制色散引起的相位波动，提升信号稳定性。
2026-04-17 physics.optics
Exceeding octave tunable Terahertz waves with zepto-second level timing noise
任何毫米波（mmW）源的频谱纯度在低噪声应用中都是最重要的。通过光混频的光学合成是这种毫米波的有吸引力的来源，由于其固有的制造成本或规格，其通常涉及具有接近单色性的窄线宽的昂贵的光谱纯激光器。在这里，我们报告了一种替代方案，用于提高廉价的半导体二极管激光器的光谱纯度，通过自注入锁定技术，通过相应的斯托克斯波从光纤布里渊腔表现出大大改善的相位噪声水平和大的波长可调谐性~1.8 nm。我们实现了一个系统，两个自注入二极管激光器在一个共同的布里渊腔，旨在在毫米波和太赫兹区域的差频产生。我们产生可调谐的亚毫米波（0.3和0.5太赫兹）波拍的自注入的两个波长的斯托克斯光上的单向行进的载波光电二极管和表征的噪声性能。亚毫米波的特点是在zepto秒（zs.Hz^-0.5）尺度上的极小定时噪声水平，优于现有技术的基于耗散克尔孤子的微谐振器设置，同时提供更宽的频率可调谐性。这些结果表明，毫米波源的一个可行的廉价的替代方案，旨在低噪声应用，具有实验室规模的足迹和机架安装的便携性，同时为芯片级光子集成铺平了道路。
2022-07-15 physics.app-ph physics.optics
Terahertz-driven, all-optical electron gun
具有窄能散、高电荷和低抖动的超短电子束对于解析金属、半导体和分子晶体中的相变是必不可少的。这些由光触发电子枪产生的半相对论性光束也被注入x射线光源的加速器。这些时间分辨电子衍射或X射线实验的可实现分辨率受到常规RF枪中的表面场和定时抖动限制的阻碍，到目前为止，它们分别为<200 MV/m和>96 fs。由光学产生的单周期太赫兹脉冲驱动的电子枪提供了一种实用的解决方案，不仅能够实现GV/m表面场，而且还具有绝对的定时稳定性，因为脉冲是由与光触发器相同的激光器产生的。在这里，我们展示了一个全光学太赫兹枪产生的峰值电子能量接近1千电子伏，加速300 MV/m太赫兹领域在一个新的微米级波导结构。我们还实现了准单能，子千电子伏束与32 fC的电荷，这已经可以用于时间分辨低能电子衍射。这种超紧凑、易于实现的枪由固有同步的THz脉冲驱动，该THz脉冲由已经存在的光注入器激光器的放大臂泵浦，提供了一种具有改变基于加速器的科学的潜力的新工具。
2016-05-21 physics.acc-ph physics.optics
Gigahertz Single-cavity Dual-comb Laser for Rapid Time-domain Spectroscopy: from Few Terahertz to Optical Frequencies
从单个激光腔产生的双梳为时间采样应用提供了一种简单而高性能的解决方案。我们展示了一个紧凑的单腔双梳状激光器工作在千兆赫兹的重复频率和高重复频率的差异高达超过100 kHz的子100 fs的脉冲宽度。单腔方法导致无源公共噪声抑制，从而在自由运行操作中产生超低相对定时抖动和完全可分辨的梳状线。我们通过两个应用演示展示了激光器的性能：（a）通过计算梳状线跟踪在近红外中进行乙炔的时域光谱分析，以及（b）通过自适应采样进行自由空间THz时域光谱分析和厚度测量。对于（b），我们使用高效的最先进的掺铁InGaAs光电导天线来产生和检测THz光。在这里，我们首次使用高效的Yb基千兆赫重复率激光器操作这些器件。一个光梳产生太赫兹光，而另一个光梳通过等效的时间采样探测太赫兹光。我们获得的信号强度与MHz重复率Er基激光系统的参考测量值相当，同时实现接近1 GHz的光谱分辨率（由梳状线间距定义）并产生高达3 THz的THz频率。通过对激光器的噪声特性进行仔细的研究，我们证实了自由运行的千兆赫双梳状振荡器可以从简单的设置中提供快速而高精度的光学延迟扫描。因此，我们的方法将有利于高更新率的时间采样和时域光谱应用。
2023-02-21 physics.optics
Attosecond-timing millimeter waves via Kerr optical frequency division
Boulder Research Labs, IMRA America, Inc.（IMRA美国公司博尔德研究实验室）
通过非线性光学频率分割与布里渊激光结合，实现亚太赫兹载波的高相干性生成，突破传统直接生成方法的限制。
2026-01-21 physics.optics
Visualizing femtosecond dynamics with ultrafast electron probes through terahertz compression and time-stamping
在原子尺度上可视化超快动力学需要具有飞秒时间分辨率的时间分辨泵浦探测表征。对于具有完全相对论性电子束团探针的单次激发超快电子衍射（UED），现有技术受到可实现的电子束团长度、电荷和定时抖动的限制。我们提出了第一个实验演示泵浦探测UED与太赫兹驱动的压缩和时间戳，使UED探头前所未有的时间分辨率。该技术利用两个反向传播的准单周期太赫兹脉冲产生的两个OH-1有机晶体耦合到一个优化的太赫兹压缩机结构。光激发铋膜的超快动力学表现出改进的时间分辨率从178 fs下降到85 fs时，太赫兹压缩UED探头使用没有时间戳校正。此外，我们使用一种新型的时间戳技术来揭示太赫兹激发的单晶金薄膜动态响应中的瞬态振荡，这是标准UED以前无法实现的，实现了低至5 fs的时间戳时间分辨率。
2021-04-12 physics.acc-ph physics.optics
Terahertz photodetection in scalable single-layer-graphene and hexagonal boron nitride heterostructures
单层石墨烯（SLG）独特的光电特性是开发从X射线到微波等广泛频率范围内的光子器件的理想选择。在太赫兹（THz）范围（0.1-10 THz频率）中，这导致了具有最先进性能的光调制器、非线性源和光电探测器的发展。一个关键的挑战是以可扩展的方式将基于SLG的有源元件与预先存在的技术平台集成，同时保持性能水平不受干扰。在这里，我们报告的发展，室温太赫兹探测大面积SLG，生长的化学气相沉积（CVD），集成在天线耦合场效应晶体管。我们选择性地激活的光热电检测动力学，我们采用不同的介电配置上的SLG上的Al 2 O3有和没有大面积的CVD hBN盖帽，以研究其对SLG的热电性能支撑光电探测的影响。在零偏工作条件下，响应时间约为5 ns，噪声等效功率约为1 nWHz-1/2。这表明了可扩展的，大面积的，分层材料异质结构的太赫兹探测的可行性。
2022-06-28 cond-mat.mes-hall physics.optics
Zeptosecond-level timing-noise floor in optical-to-terahertz photomixing
IMRA America, Inc（IMRA美国公司）；Kyushu University（九州大学）；The University of Tokyo（东京大学）
本研究识别并抑制高功率单渡越载流子光电二极管光到太赫兹转换的额外噪声机制，测得WR-3.4波段定时噪声基底低于10 zs/√Hz，证实直接光混频可实现太赫兹源的超低白定时噪声基底。
2026-10-14 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
Microscopic imaging of non-repetitive dynamic scenes at 5 THz frame rates by time and spatial frequency multiplexing
飞秒尺度的超快成像是分子生物学、物理化学、原子物理学和流体动力学中超快动力学可视化的重要工具。泵浦探测成像和条纹相机是最广泛使用的技术，但它们要么要求重复相同的场景，要么牺牲成像维度的数量。近年来发展了许多有趣的单次超快成像技术，用于记录非重复的动态场景。然而，在帧的数量、图像像素的数量或空间/时间分辨率方面仍然存在弱点。在这里，我们提出了一个单次拍摄的超快显微镜，可以捕获十几帧的时间与帧速率为5太赫兹。我们结合了一个空间光调制器和一个定制的梯队有效地产生大量的参考脉冲与设计的时间延迟和传播角度。这些参考脉冲与采样脉冲之间的干涉图像的单次拍摄记录允许我们在参考脉冲的定时处检索动态场景的频闪图像。我们演示了一次记录14个时间快照，这是迄今为止最大的，具有由激光输出脉冲设置的最佳时间分辨率。我们的超快显微镜在帧数和时间分辨率方面具有高度可扩展性，这将对揭示尚未探索的有趣时空动态产生深远影响。
2019-09-02 physics.ins-det physics.optics
Frequency multiplication in Terahertz band using AlGaN/GaN plasmonic crystals
Rensselaer Polytechnic Institute（伦斯勒理工学院）；Electronics of the Future, Inc.（未来电子公司）；Kingsborough College, The City University of New York（纽约市立大学金斯伯勒学院）
本文提出 AlGaN/GaN 等离子体晶体中的 rotonic plasmons，并利用栅极周期调制或短脉冲激发产生非线性参数共振，实现 RF-to-THz 倍频与可调谐紧凑太赫兹源。
2025-10-02 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Ultralow noise microwaves with free-running frequency combs and electrical feedforward
National Institute of Standards and Technology（美国国家标准与技术研究院）；University of Colorado Denver（科罗拉多大学丹佛分校）；University of Colorado Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）；California Institute of Technology（加州理工学院）；Menhir Photonics AG（Menhir光子股份公司）；Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology（加州理工学院喷气推进实验室）；University of California, Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）
本文提出一种简化架构，利用电子前馈噪声消除技术替代传统反馈控制，实现超低噪声微波生成，适用于雷达、传感和导航领域。
2025-11-25 physics.optics
Fast and Sensitive Terahertz Detection in a Current-Driven Epitaxial-Graphene Asymmetric Dual-Grating-Gate FET Structure
本文提出一种电流驱动的非对称双栅栅外延石墨烯场效应晶体管太赫兹探测器，实验证明其具有10 ps级快速响应和0.3 mA/W响应度，并揭示等离子体与光热电两种检测机制的共存与转变，展示其在6G/7G高速无线通信中的应用前景。
2022-07-04 cond-mat.mtrl-sci physics.optics physics.plasm-ph
Terahertz streaking of few-femtosecond relativistic electron beams
光电子的激光条纹效应被广泛应用于阿秒极紫外脉冲的时间特性研究。最近，这项技术已被用来表征飞秒x射线脉冲在自由电子激光与条纹印的远红外和太赫兹（THz）脉冲。在这里，我们报告成功实现太赫兹条纹的时间戳的超短相对论电子束的能量是几个数量级高于光电子。这种能力是特别重要的MeV超快电子衍射（UED）的应用，其中电子束与几个飞秒脉冲宽度可以获得纵向压缩，而到达时间可能会波动在一个更大的时间尺度。利用这种激光驱动的太赫兹条纹技术，超短电子束的脉冲宽度为6 fs（rms）的到达时间已被确定为1.5 fs（rms）的精度。此外，我们已经提出并证明了一种非侵入性的方法，通过测量压缩光束的能量，这可能会允许一个推进UED对子10 fs的前沿远远超过~100 fs（rms）的抖动与飞秒精度的定时抖动的校正。
2018-05-10 physics.acc-ph physics.atm-clus physics.ins-det
Terahertz control of relativistic electron beams for femtosecond bunching and laser-synchronized temporal locking
本文提出利用激光产生的多周期太赫兹脉冲驱动电子能量调制并结合磁压缩，实现高能电子束的飞秒级压缩与激光同步时间锁定，为自由电子激光和超快电子衍射等提供新途径。
2025-08-28 physics.acc-ph physics.app-ph physics.optics
