稀薄现在意味着太赫兹极化

莱斯大学2016年开发的超薄碳纳米管薄膜使超薄宽带偏振旋转器成为可能。这种高度排列的单壁纳米管薄膜于2016年首次制成。资料来源:河野实验室/莱斯大学

  如果你的努力能给你带来好的影响，那就太好了。随着光的巨大偏振旋转的发现，这确实是如此。

  几年前，莱斯大学的物理学家Junichiro Kono和他的学生们首次制作了超薄、高度排列的碳纳米管薄膜，结果里面出现了一个令人惊讶的现象:一种使高能力太赫兹极化旋转成为可能的能力。

  这种旋转并不意味着薄膜在旋转。而是意味着来自激光或其他光源的偏振光现在可以以以前无法达到的方式进行操纵，使其完全可见或用一个极薄的设备使其完全不透明。

  当线偏振光脉冲通过45纳米薄膜并击中其所在的硅表面时，就会发生独特的旋光性。在反射回来之前，光在衬底和薄膜之间反射，但它的偏振度转变了90度。

  Kono说，只有当输入光的偏振角度与纳米管对齐方向成特定角度时，才会发生这种情况:这被称为“魔角”。

  该研究的主要作者、Kono实验室的博士后研究员安德烈·拜丁(Andrey Baydin)在《光学》杂志上详细介绍了这一发现。这种现象可以通过改变衬底的折射率和薄膜厚度来调整，从而产生可以操纵太赫兹波的坚固、灵活的设备。

  莱斯大学的物理学家们用超薄的碳纳米管薄膜制成了独特的宽带极化旋转器。当输入光的偏振光相对于纳米管对齐方向处于特定角度时，即“魔角”，薄膜将输出的偏振光旋转90度。资料来源:河野实验室/莱斯大学

  Kono说，易于制造的超薄宽带极化旋转器能够经受住高温，这将解决太赫兹光学设备发展中的一个基本挑战。到目前为止，现有的体积庞大的器件只能实现有限的偏振角，因此性能更强的紧凑器件是非常理想的。

  因为太赫兹辐射很容易穿过塑料或纸板等材料，它们在制造、质量控制和过程监测方面特别有用。他说，它们也可以用于电信系统和安全检查，因为许多材料在太赫兹范围内具有独特的光谱特征。

  “这一发现为波片提供了新的可能性，”Baydin说。波片改变通过它的光的偏振。在像太赫兹光谱仪这样用于分析材料分子组成的设备中，能够将偏振度调整到90度，将允许以更精细的分辨率收集数据。

  Baydin说:“我们发现在远红外线波长中，这种各向异性几乎是完美的，换句话说，在太赫兹频率范围内。”“基本上，垂直偏振方向没有衰减，而平行方向则有明显的衰减。

  他说:“我们没有想到会出现这种情况。”

  “这完全是个意外。”他说，理论分析表明，这种效应完全是由于高度排列的纳米管薄膜的特性造成的，这种薄膜虽然薄，但直径只有2英寸左右。研究人员通过实验和计算机模型观察并证实了这种巨大的极化旋转。

  “通常，人们不得不使用毫米厚的石英波片来旋转太赫兹偏振，”Baydin说，他于2019年底加入科诺实验室，并在那之后不久发现了这一现象。

  “但在我们的研究中，薄膜只有纳米厚。“如果你只是在实验室中使用，大而笨重的波片是没问题的，但在应用中，你需要一个紧凑的设备，”Kono说。“安德烈的发现使之成为可能。”