上世紀50年代初，黃昆先生提出了著名的黃昆方程，揭示了橫光學聲子與光子相互耦合的物理本質，預言了聲子極化激元這種全新元激發的存在。1965年，Hopfield等人在GaP晶體中首次探測到了這種元激發，證明了黃昆方程的正確性。實際上，聲子極化激元作為一種元激發，不僅僅依賴于晶格中的熱聲子存在。當有外驅動力（如飛秒激光等）作用于晶格時，可以產生太赫茲頻段的受激聲子極化激元。這為聲子極化激元的研究和利用、材料性質調控、太赫茲物理與技術、瞬態亞波長光學與光子學等研究提供了全新的思路。

多年來，聲子極化激元在凝聚態物理、光學和材料科學中一直受到廣泛關注。南開大學許京軍、吳強教授團隊經過十余年的努力，構建了太赫茲聲子極化激元的理論、實驗和應用研究的基本體系。

他們以黃昆方程為基礎，考慮聲子極化激元在非線性相互作用過程中的關鍵性作用，發展出了一組非線性黃昆方程：

他們新增了外場的受激驅動力和非線性回復力，使得新方程可以應用于受激的強場聲子極化激元體系，并研究其非線性響應，預測了一系列全新的物理機制和效應。其中頗具代表性的一個預測是聲子極化激元可以憑借其離域性，極大地增強材料在太赫茲頻段的非線性極化率，實驗驗證了這一預測。聲子極化激元體系中，太赫茲波段的非線性系數高于微波和可見光波幾個數量級；并且能夠借助聲子極化激元的材料，其非線性系數都遠遠高于常見的其它材料。這一研究成果將線性的黃昆方程推廣至非線性領域，并利用聲子極化激元實現了太赫茲波的巨非線性效應。對太赫茲波非線性領域的發展、離子晶體材料性質的調控以及量子態的相干調控都具有重要意義，相關成果發表在Nature Communications上，共同第一作者為博士生盧瑤和張琦，通訊作者為吳強、陳志剛和許京軍教授。

借助于太赫茲聲子極化激元，該研究團隊在鈮酸鋰晶片上構建了太赫茲波的片上集成系統，使太赫茲波的產生、傳輸、調控、探測等過程以及太赫茲波與物質或微結構的相互作用過程，在同一個鈮酸鋰芯片上完成，并實現了一定的功能性，促進了太赫茲集成技術的應用。

針對發展太赫茲片上集成平臺這一目標，南開大學團隊開發了一系列的理論、實驗和應用技術。

圖1 一階色散消除后，鈮酸鋰亞波長波導中太赫茲脈沖的“凍結相位”傳輸實驗圖

在基礎理論方面，除了非線性黃昆方程，南開大學團隊還完成了各向異性亞波長平板波導（與麻省理工學院合作）、亞波長矩形波導中電磁波傳輸的方程、數值模擬、實驗驗證等工作，并指出了Marcatili近似方法在此條件下已經不再適用，取而代之的是有效折射率近似方法；展示了亞波長平板波導和矩形波導之間的耦合過程，指出了亞波長波導耦合過程中存在一個反直覺的模式轉換過程。通過設計初始相位鎖定的同步移動太赫茲源，借助亞波長波導超強的結構色散，實現了一階色散的抵消。這一結果成為繼二階色散消除產生時間孤子后，首次對于光學脈沖傳輸相位進行鎖定的“類孤子傳輸”態，如圖1所示。研究結果發表在Laser & Photonics Reviews上（第一作者為博士生盧瑤，通訊作者為吳強、陳志剛和許京軍教授），這一結果為純相位太赫茲通信、太赫茲非線性混頻以及高能短脈沖太赫茲光源中的相位調制提供了參考和借鑒。

圖2 鈮酸鋰片上集成高靈敏太赫茲傳感器與時域光譜儀示意圖

在應用領域，許京軍、吳強教授團隊開發了多項技術。利用超表面/鈮酸鋰亞波長波導的復合結構，設計并制備了檢測微量固體粉末的太赫茲片上傳感器。復合結構通過表面波和能量局域，增強了光與物質的相互作用；通過水平入射方式，將光與物質的作用距離從微米提升至毫米；通過二維光譜，進一步提升了信號的分辨率；實現了片上集成的高靈敏太赫茲傳感器。同時，該設計也可用于片上集成太赫茲時域光譜，將傳統TDS光譜儀中幾十厘米的光譜采集室（太赫茲產生、與物質相互作用、探測的空間）替換為幾毫米的鈮酸鋰晶片，如圖2所示（top articles in the Photonics and Optoelectronics section of Applied Physics Letters.）

圖3 太赫茲單向傳輸結構示意圖

經過近十幾年的努力，南開大學團隊對太赫茲聲子極化激元有了比較深入的認識，形成了比較系統的研究體系，取得了一些重要的研究成果。既有以非線性黃昆方程為代表的基礎理論研究，也有鈮酸鋰材料的制備與調控、時空超分辨定量成像探測等實驗工作，并在此基礎上發展了片上集成高靈敏太赫茲傳感器、片上集成太赫茲時域光譜儀等應用方向。許京軍、吳強教授團隊將繼續推動太赫茲聲子極化激元領域的發展，促進聲子極化激元、材料性質調控、太赫茲光學、亞波長光學與光子學等領域發展和交叉融合。

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