太赫兹超材料偏振转换器：卓越性能与高集成度引领太赫兹器件革新

作者：聂梦雪

背景介绍

超材料是21 世纪以来出现的特种复合材料或结构，它通常是由金属与介质材料组成，通过对材料关键物理尺寸上进行有序结构设计，能够使其获得常规材料不具备的超常物理性质。超材料涉及众多学科领域，是当今全球最前沿、最具有战略性意义的研究课题，受到了世界范围内的广泛关注，《Science》与《Materials Today》杂志都对超材料研究给予了高度评价，被列为近几十年来材料科学领域最重大的科学进展之一。现阶段，超材料在各个领域都存在着显著的应用，超材料的研究已经成为当今学术界最热门的话题之一。

具体来说，超材料是一种由人为设计的周期结构材料，其周期单元尺寸一般小于应用波段的波长，且与天然材料相比具有特定的电磁特性。超材料的设计为人为主观设计，多用于满足人们对特定场景的技术需求。超表面是指二维的超材料，一般采用金属或介质材料，其拥有二维周期结构，是目前超材料研究中最热门的研究内容。通过对超表面内单元的形状、尺寸等的设计，可以实现对电磁场的多种调控，如偏振调控、反射调控、吸收调控等等。除此之外，超表面还被利用在许多理想条件的研究中，如航空航天领域的电磁隐身[17]，材料学领域的完美吸收材料等等。由此可见，与自然材料相比，超材料在电磁学研究领域有着不可替代的优越性。超材料具有体积小、效率高、工作频带宽等多种优势，使得其成为太赫兹器件发展的候选材料。

超材料概念最初是由Veselago于1967提出的[1]，他通过理论研究预测了一种具有负折射率的材料。他提出，当材料的介电常数和磁导率均为负值时，此时从电磁学角度分析，电场矢量、磁场矢量和波矢不再满足右手螺旋定则，而是成为了左手材料，但在当时由于实验条件限制等原因并没有被证实与研究。直到30年后，英国物理学家Pendry提出了一种圆柱形金属阵列结构[2]，并通过实验测量观测到其可产生负等效介电常数的现象，证实了Veselago的观点，后又设计了经典的具有负磁导率的开口谐振环模型[3]，自此之后，超材料的概念得到实验证实，超材料的研究兴起。在微波频段，第一个真正意义上人为设计制备的超材料是由Smith等人在2000年设计的左手材料[4]，它是由内外两个圆形开口谐振环组成的，其中两个环的开口方向夹角为180°，通过实验测量发现此材料在0.1~8GHz频段存在负等效介电常数和负磁导率，如图1所示。由于超材料所具有的特殊性质，许多基于超材料的器件应运而生，涉及到对电磁波进行相位调控的移相器、吸收电磁波使其近乎无传输和反射的完美吸收器以及对电磁波进行波向调控的偏振转换器。

图1 微波频段具有负折射率和磁导率的超材料[4]

偏振转换器，顾名思义是一种实现电磁波的偏振态变化的器件，即将入射的电磁波由线偏振波转化为圆偏振波或者由线偏振波转化为另一偏振方向的线偏振波。在工程上，偏振转换器最直观的应用就是偏振片，当需要特定偏振方向的电磁波时，偏振片的作用即为滤除其余偏振方向的电磁波或者将其余偏振方向电磁波转换为特定偏振方向波。按照工作类型对偏振转换器进行区分，可以将其分为反射式偏振转换器和透射式偏振转换器。

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太赫兹反射式超材料偏振转换器

反射式偏振转换器通常由三层结构组成，即上层超表面金属、中间介质层和下层金属底板，其中上层超表面金属是引起偏振转换的主要原因，而底层的金属底板则是起到反射电磁波的作用。超材料在太赫兹频段偏振转换器的设计应用最早可以追溯到2013年，N .K . Grady等人[5]设计了一种太赫兹频段实现偏振转换的反射式超表面周期结构，上层金属短线结构实现极化转换，下层全金属实现太赫兹波的反射，中间加入介质层隔开，如图2(a)所示。当沿X方向线偏振的太赫兹波入射时，由于金属短线结构处的偶极子共振，使波的极化方向发生改变，反射回的电磁波出现了交叉极化分量。同时，又由于上层超表面与下层金属板形成F-P谐振腔的结构，通过多重干涉抑制了X方向太赫兹波的传输，从而实现了在0.8THz~1.8THz频段的宽带反射式偏振转换，如图2(b)所示。

图2 反射式超表面结果

图(a)金属短线阵列反射式偏振转换器结构示意图；(b)共极化和交叉极化反射幅值图[5]

2014年，Cheng Yongzhi 等人[6]设计了一种超薄、超宽带、高效率的太赫兹反射式偏振转换器。该器件由上层超材料金属层，中间介质层和下层金属组成，其中上层超表面采用金属圆盘和双开口圆谐振环组合的周期结构组成，此结构能够在0.65~1.45THz范围内实现X-Y偏振转换，结构图如图3(a)所示。最终，并且实验与仿真结果吻合，如图3(b)所示。2017年，Xia Rui等人[7]提出了一种太赫兹频段半波片，实现宽带反射式线性偏振转换。此设计的上层超表面周期内采用两对贴片组成45°对称的双V字结构，下层采用全金属底板，中间为介质层。此结构在0.65~1.6THz范围内存在三个极化转换峰，其极化转换效率(PCR)接近100%。2019年，Guan Shengnan等人[8]提出了一种混合石墨烯-介电介质的超表面，此结构通过外加电压调整石墨烯的费米能级，最终可以实现在1THz左右范围内的反射式太赫兹半波片和四分之一波片的切换，这一研究使得反射式太赫兹偏振转换器实现了由无源器件向有源器件的转变。

图3 反射式超表面结果图

(a)圆盘-开口环阵列反射式偏振转换器结构示意图；(b)共极化和交叉极化反射系数图

太赫兹透射式超材料偏振转换器：

除了上文中介绍的太赫兹反射式偏振转换器，太赫兹透射式偏振转换器也是近年来研究重点，主要是因为透射式偏振转换器在光学工程领域应用价值相对而言更高，可应用范围更广。常见的透射式偏振转换器有两种，一种是双层结构，即上层为超表面金属层，下层为介质基板层；另一种为三层或五层结构，即在双层结构的基础上在其上下表面各加一层光栅层(上表面加光栅层时还需在超表面与光栅之间插入介质层)，其中加入光栅层的目的为保证入射和出射电磁波偏振方向的纯净性。2011年，N.Yu 等人设计了一种V形金属周期结构超表面，通过调整表面金属结构的参数，实现了电磁模式的转换，激发的两种电磁模式的电场偏振方向垂直于入射电场[9]。在2013年，N .K . Grady等人[5]在设计反射式超表面偏振转换器时，同样探讨了此超表面结构的透射式偏振转换器设计方法，即在原有结构的基础上，在上下两表面分别加入金属线栅结构，金属结构之间加入介质隔开，其中两个金属线栅互相垂直，超表面结构与金属线栅之间呈45°夹角，如图4(a)所示。由于光栅的偏振选择性，能够保证入射波几乎只存在X方向偏振波，而通过超表面结构后，在出射方向仅探测到Y方向偏振波，说明该器件实现了X-Y方向偏振转换。同年，S.Wu 等人[10]设计了一种透射式太赫兹超材料偏振转换器，是在上层金属上周期性刻蚀出手性S形阵列，利用金属缝隙中的局域等离子共振效应实现偏振转换，最终实现透射式的线偏振转椭圆偏振的效果。2015年，W.Liu[11]等人提出了一种单层超表面透射式偏振转换器，同样采用金属刻蚀周期手性结构的方法，实现了在0.92THz~1.39THz频段内接近90%线偏振交叉极化转换率，其设计的超表面结构是基于双开口方形谐振环的改进，具体结构图如4(b)所示。

图4 透射式超表面结构图 (a)金属短线阵列 (b) 类H型阵列

2017年，S.T.Xu[12]等人设计了一种多层结构超表面，上层采用梯度差光栅，下层采用H形超表面，中间插于介质层，利用光栅的双折射性质和后层超表面的太赫兹波偏振敏感性实现双向传输式偏振转换器的设计。2018年，X.Jing[13]等人设计了一种双层超表面，采用上层括号形（主要用于极化转换）以及下层光栅结构，实现了0.55THz~1.37THz的宽频99%的极化转换效率，并用类F-P腔模型对其极化转换增强机理进行阐述，其结构图和偏振转换幅值如图5所示。

图5 括号型透射式超表面结果图(a)括号型阵列透射式偏振转换器结构示意图；(b) 共极化和交叉极化透射幅值图

2020年，Zi-Yang Zhang等人[14]利用双层手性超材料实现PVA膜厚度传感，主要利用了超材料的偏振选择性透过性及F-P腔的厚度敏感性。2022年，Y. Zhang等人[15]设计了一种多层复合结构超表面，前后光栅用来保证偏振方向的单一性，中间十字形结构用来实现超表面计划转换(如图6(a))，最终实现了太赫兹频段超宽带的、偏振转换效率近乎100%的X-Y极化转化（0.41THz~2.38THz），且可以双向传输。最近，刘靖宇等人[16]设计的复合V超表面展现了太赫兹频段宽带的线极化转换功能，X.Jiang等人[17]将偏振转换超表面与各向异性液晶相结合，探究了其偏振转换性能的可控性，其结构示意图如图6(b)所示。

图6 透射式超表面结构示意图 (a)多层复合超表面结构图[15]；(b) 液晶-金属超表面结构图[17]

总结

超材料作为近年来科学研究领域最热门的话题，其研究范围遍布电磁波谱各个频段，在各种应用型器件中被广泛使用。作为新兴的研究方向，超材料与太赫兹技术的联合研究有着重要的研究价值和广阔的研究前景。新型材料的太赫兹偏振特性的研究一直是太赫兹领域的研究重点，通过人为的结构设计能够使材料实现太赫兹频段的偏振转换功能。目前太赫兹频段超材料偏振转换器的研究兴起，越来越多的研究内容不在局限于传统的金属超材料器件设计，而是考虑将各种功能材料与超材料结合，设计具有更高性能、更高集成度、调控性更强的太赫兹偏振转换器。在未来，太赫兹超材料偏振转换器的研究将朝着宽频、可调控性、多功能集成的方向继续发展，更多元化地应用在太赫兹通信、成像等多个领域，引领太赫兹器件革新。

参考文献

1. Veselago V G. The Electrodynamics of Substances with Simultaneously Negative Values of ε and µ[J]. Soviet physics uspekhi, 1968,(10): 509–514
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3. Porto J A, García-Vidal F J, Pendry J B. Transmission Resonances on Metallic Gratings with Very Narrow[J]. Phys Rev Lett, 1999,(83): 2845–2848
4. Smith D R, Padilla W J, Vier D C, et al. Composite medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity[J]. Phys Rev Lett, 2000,(84): 4184–4197
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17. Xinhao Jiang, Yunyun Ji, Fei Fan, Huijun Zhao, Songlin Jiang, Jierong Cheng, Maoqi Wu, John H. Xin, and Shengjiang Chang, "Terahertz polarization and chirality modulation induced by asymmetry inversion combining chiral metasurface and liquid crystal anisotropy," Opt. Lett. 48, 1682-1685 (2023)