一束直径为2mm的氩离子激光（从拓扑绝缘体发射出可任意调制的THz激光）

江苏激光联盟导读：《Advanced Photonics 》近日报道，来自北京航空航天大学的研究人员利用飞秒激光从拓朴绝缘体发射出可任意调制的THz激光。 此项工作将有助于进一步理解光与物质相互作用中用飞秒脉冲控制超快自旋电流，同时也提供了一种产生自旋极化太赫兹波的有效方法。吴指出，操纵太赫兹源的偏振将为未来实现有效在源处操纵太赫兹波奠定重要基础。

椭圆和圆极化 的THz光束的生成

太赫兹（THz）光波（激光），其波长位于毫米和远红外频率之间的范围，是一种电磁频段，但却还没有被我们完全认知和理解。来自北京航空航天大学的吴晓君所领导的研究团队正在积极的探索理解、产生和控制THz的发射。吴晓君注意到，THz波在实际应用中具有十分广阔的应用前景，其应用范围可以从影像到信息加密等。但是，比较遗憾的是，THz在科学与技术的发展上受到缺乏足够的有效发射源的影响。

吴晓君的研究小组正在研究三维的拓朴绝缘体碲化铋 (Bi2Te3)作为一个有前途的且有效的THz系统。他们在最近系统的研究了利用飞秒激光脉冲驱动碲化铋 (Bi2Te3)纳米薄膜产生的THz。这一研究成果发表在期刊《 Advanced Photonics》上，该成果表明了任意可调极化状态的手性的THz波可以生成，并允许对手征（空间的螺旋特性）、椭圆度和主轴进行调节。

依据吴晓君的研究成果，碲化铋 (Bi2Te3)在将来最有可能成为芯片级别的拓扑绝缘体为基础的THz系统，这一系统已经呈现出优异的有前途的THz发射、探测和调制。这一充分研究的拓朴绝缘体呈现出独特的自旋动量锁定表面状态 ，这一状态可以被精确的通过许多因数来进行调节，如原子层的数量。吴解释说，这一类型的THz源可以有效的发射线性和圆形极化THz波，可以被调制成手性与极化 状态。这将促进THz科学与技术在超快太赫兹光自旋电子学、极化为基础的THz光谱学和影像、THz生物传感、视线THz通讯以及信息加密等方面的发展。

从碲化铋 (Bi2Te3)发射出来的极化可调制THz 的示意图

图解： (a)具有水平线极化（horizontal linearly polarized (HLP)）、垂直线性极化（ vertical linearly polarized (VLP)）、左手圆极化 （left-handed circularly polarized (LCP)）和右手圆极化（right-handed circularly polarized (RCP)）的飞秒激光脉冲辐照到碲化铋 (Bi2Te3)和产生极化可调制的THz波； (b) 宏观螺旋度相关的光电流 和只有单向自旋电流生成的情形； (c)在极化激光脉冲照射时发生的微观电子跃迁

线性极化THz波的生成和调控

吴的课题组系统的研究了利用飞秒激光脉冲驱动拓朴绝缘体碲化铋 (Bi2Te3)纳米薄膜时产生的THz。他们发现线性极化的THz波自移位电流 中形成。该移位电流由超快重新分布的电子密度所决定，该电子密度位于碲化铋 (Bi2Te3)中的Bi-Te原子中，在拓朴绝缘体被线性极化泵浦光所激发。超快移位电流对线性极化的THz发射起作用。由于碲化铋 (Bi2Te3)的格栅特征，发射的THz波经常会线性极化成三倍旋转角，具体取决于方位角的角度。这一可靠性使得它可以非常方便的通过在极化方向的激励激光来任意调节THz的极化角度。

线性极化的THz发射和它的移位电流机制

圆形极化THz波的生成和调控

吴解释说，为了制造出圆形极化的THz脉冲，非常有必要同时调制泵浦激光极化和样品的方位角。当样品的方位角被固定的时候，研究人员也可以获得具有不同椭圆度和主轴的椭圆形的THz光束，由于综合了线性光电流效应（linear photogalvanic effect (LPGE)）和圆形光电流效应（circular photogalvanic effect (CPGE)），这是由位于LPGE和CPGE所驱动的电场部件中的内在的时间延迟效应所导致的。在他们所期待的范围内，他们可以通过改变激励的激光的螺旋性来调节发射的THz波长的 手征（空间的螺旋特性）。

吴解释说，螺旋形相关的电流是我们可以获得自旋极化THz脉冲的关键原因，这是因为我们可以通过改变螺旋形来连续的调制THz的震级和极性。圆形极化THz的发射的执行与控制方面的特别的讨论在文章中也给予了介绍。

椭圆形和圆形极化的THz光束的产生

作者们非常乐观的认为，他们的研究工作将会进一步的有助于理解飞秒相关控制超快自旋电流在光-物质相互作用以及为产生自旋极化太赫兹波提供了一个有效的途径。吴同时认为，极化的调控是在有效的光源中获得可定制的扭曲的THz波的工作中向前迈进了一步。

(a) THz生成的示意图；(b,c) n-型Cu0.02Bi2Se3和p-型 Bi2Te3ARPES图片

作者简介：

Haihui Zhao：研究生，2019年获得北京航空航天大学电子和信息工程学院的学士学位，2019年加入吴晓君导师和 聂天晓的太赫兹课题组。主要研究新材料的太赫兹发射的物理机理，如磁材料和2D材料。

Xinhou Chen;研究生，研究方向为太赫兹的生成和调控。

Chen Ouyang ：中国科学院大学的博士生，研究方向为强场太赫兹.

Hantian Wang：博士生，

吴晓君 201706至今 北京航空航天大学 副教授、博导

201408-201704 德国同步辐射中心（DESY） 洪堡学者博士后

201308-201407 德国汉堡大学 博士后

201009-201307 中国科学院物理研究所 博士

200509-200807 中山大学 硕士

200109-200507 中山大学 学士

长期从事超强太赫兹源、器件及其应用方面的研究，获得世界首个单脉冲能量大于1mJ的固态铌酸锂超强太赫兹源，首个偏振可调谐自旋太赫兹发射器，首个基于太赫兹超表面生物分子特异性检测方法。已在国际知名学术期刊Nature Photonics、Nature Communications、Optica、Advanced Optical Materials、Biosensors and Bioelectronics、Optics Letters、Optics Express、Photonics Research、Applied Physis Letters、Applied Surface Science等共发表学术论文80余篇，获中国专利12项。在本领域顶级国际会议上做主题报告和特邀报告累计30余次。

担任Optics Express杂志的Associate Editor；担任《物理学报》和《Frontiers of Optoelectronics》太赫兹专刊客座编辑，担任国际光子与光电子会议（POEM）太赫兹分会共主席、新加坡国际材料和先进技术国际会议（ICMAT 2021）分会共同主席；担任红外毫米波太赫兹国际会议（IRMMW-THz 2020）、光学前沿国际学术会议(FiO 2020)、激光科学和光子学应用（CLEO 2020）、微波太赫兹科学与应用(MTSA)等国际会议程序委员会成员；担任Nature Photonics、 Nature Communications、Optica、Advanced Sciences等数十个国际重要期刊审稿人；2014-2015年度美国光学学会管理委员会成员。

入选2014年度德国洪堡学者、2017年北航“卓越百人”计划、2018年北航“青年拔尖人才支持计划”、2018年度北京市青年骨干项目、获得2018 IEEE光学-青年研究学者奖提名、2019年度学院本科教学标兵；主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金、JKW项目、装备预研领域基金等国家级项目8项；作为子课题负责人参与2018年国家自然科学基金重大科研仪器研制项目“GW超强太赫兹源产生及应用装置”、2020年科技部重点研发计划等多个项目。

——> 主要研究领域

超强太赫兹源及应用

自旋太赫兹源及应用

智能太赫兹源及应用

吴晓君 航空航天大学 副教授 博士生导师

文章来源：Haihui Zhao et al, Generation and manipulation of chiral terahertz waves in the three-dimensional topological insulator Bi2Te3, Advanced Photonics (2020). DOI: 10.1117/1.AP.2.6.066003

Tu, C., Yeh, T., Tzeng, W. et al. Manifestation of a Second Dirac Surface State and Bulk Bands in THz Radiation from Topological Insulators. Sci Rep 5, 14128 (2015). https://doi.org/10.1038/srep14128