超表面是一種由人工微結(jié)構(gòu)組成的超薄平面器件,能夠?qū)崿F(xiàn)對電磁波振幅、相位以及偏振態(tài)的調(diào)控,具有體積小、重量輕、集成度高、可靈活操控電磁波等優(yōu)勢,在電磁波譜、波前調(diào)制中發(fā)揮著巨大的作用。綜述了近年來基于超表面的太赫茲波前調(diào)制器件的研究進展。總結(jié)了基于Pancharatnam-Berry相位、基于局域表面等離子體共振（LSPR）、基于Mie共振的三種超表面單元結(jié)構(gòu)對電磁波的振幅、相位調(diào)控機理,并討論了實現(xiàn)高效率超表面的方法。之后,介紹了用于設(shè)計波前調(diào)制超表面器件的純相位調(diào)制方法和復振幅調(diào)制方法。綜述了在太赫茲波段典型的超表面波前調(diào)制器,包括單一功能、復合功能以及可調(diào)諧功能的超表面波前調(diào)制器件。在早期的研究工作中,設(shè)計的超表面可實現(xiàn)波束偏轉(zhuǎn)、波束聚焦、全息成像、以及渦旋光束、自聚焦光束、洛倫茲光束等特殊光束產(chǎn)生等功能。為提高太赫茲器件的利用率,波分復用、偏振復用等功能復用的太赫茲超表面器件被提出。隨著對太赫茲波前動態(tài)調(diào)控需求的增長,一些主動的太赫茲超表面器件被提出并在實驗上被驗證。共有兩種主動的超表面器件。其中一種主動超表面是通過將超表面結(jié)構(gòu)與半導體材料或相變材料結(jié)合形成的,另一種是通過光泵浦... 

【文章來源】：紅外與激光工程. 2020,49(09)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：11 頁

【部分圖文】：

(a)太赫茲波前調(diào)制全光等離子體超表面示意圖；(b)基于PB相位的光致天線設(shè)計；(c)用CCD捕獲到的投影到硅片上的光致全息圖

利用超表面不僅能夠調(diào)控電磁波波前的相位和強度分布，還能調(diào)控電磁波的傳播方向。東南大學崔鐵軍院士團隊提出了寬帶低散射的太赫茲超表面，能夠?qū)⑷肷涞匠砻嫔系奶掌澆瓷涞礁鱾�方向，降低雷達散射截面，將這一超表面覆蓋在飛機、艦船的表面可有效躲避太赫茲雷達的捕獲，做到有效隱身[23-24]。除此之外，該團隊還提出了實現(xiàn)太赫茲定向波束指向的超表面設(shè)計方案[25]，并在實驗上觀測到了波束偏轉(zhuǎn)，如圖2(d)所示。該技術(shù)可應用于太赫茲通信、太赫茲雷達等領(lǐng)域。4 功能復用的太赫茲波前調(diào)制超表面

基于Mie共振的超表面調(diào)制單元是由高折射率材料制備的介質(zhì)光天線。如圖1(c)所示，當電磁波入射時，能夠同時激發(fā)電偶極共振和磁偶極共振，通過調(diào)節(jié)諧振單元的幾何參數(shù)可以實現(xiàn)散射波的相位從0到2π的調(diào)控。這種全介質(zhì)光天線對入射光的偏振不依賴，對同偏振分量的散射波具有同樣的相位調(diào)制效果。為了支持磁偶極子共振模式，全介質(zhì)光天線的厚度較大，通�？梢耘c介質(zhì)材料中的波長比擬。因此，全介質(zhì)超表面器件的厚度要遠遠大于金屬超表面器件的厚度。相比基于LSPR和PB相位的光天線單元，介質(zhì)光天線單元由于不會引入金屬損耗，同時具有較強的磁共振，通常被用于高效率超表面器件的設(shè)計中。根據(jù)超表面中光天線單元的電磁調(diào)制機理可知，基于LSPR和PB相位設(shè)計的超表面由于只對與入射波正交偏振的分量起到調(diào)制作用，而對與入射波同偏振方向的分量沒有調(diào)制效果，同時，這類超表面會產(chǎn)生雙向輻射，導致透射的能量大幅降低。因此，此類超表面器件的效率通常較低。為提高器件的效率，除了采用基于Mie共振的超表面之外，還可通過采用反射型的MIM(metal–insulator–metal,MIM)結(jié)構(gòu)或透射型的惠更斯超表面來實現(xiàn)。反射型的MIM結(jié)構(gòu)是在超表面基底下方引入一層金屬反射層，金屬反射層能夠?qū)㈦姶挪ㄈ糠瓷涑鋈�，可以將器件效率提高�?0%以上[12]�；莞钩砻媸且环N高透射率的多層超表面，由電共振結(jié)構(gòu)和磁共振結(jié)構(gòu)組成。比如在超表面器件上下各加一層金屬光柵結(jié)構(gòu)或者采用ABA結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計超表面與光柵之間的介質(zhì)層厚度實現(xiàn)最大效率的偏振轉(zhuǎn)化，最終使器件的效率達到85%以上[13-15]。


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