超表面是一種由人工微結構組成的超薄平面器件,能夠實現對電磁波振幅、相位以及偏振態(tài)的調控,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制器件的研究進展�？偨Y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構對電磁波的振幅、相位調控機理,并討論了實現高效率超表面的方法。之后,介紹了用于設計波前調制超表面器件的純相位調制方法和復振幅調制方法。綜述了在太赫茲波段典型的超表面波前調制器,包括單一功能、復合功能以及可調諧功能的超表面波前調制器件。在早期的研究工作中,設計的超表面可實現波束偏轉、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構與半導體材料或相變材料結合形成的,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】：11 頁

【部分圖文】：

(a)太赫茲波前調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控電磁波波前的相位和強度分布，還能調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，能夠將入射到超表面上的太赫茲波漫反射到各個方向，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太赫茲定向波束指向的超表面設計方案[25]，并在實驗上觀測到了波束偏轉，如圖2(d)所示。該技術可應用于太赫茲通信、太赫茲雷達等領域。4 功能復用的太赫茲波前調制超表面

基于Mie共振的超表面調制單元是由高折射率材料制備的介質光天線。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，通過調節(jié)諧振單元的幾何參數可以實現散射波的相位從0到2π的調控。這種全介質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制效果。為了支持磁偶極子共振模式，全介質光天線的厚度較大，通常可以與介質材料中的波長比擬。因此，全介質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計中。根據超表面中光天線單元的電磁調制機理可知，基于LSPR和PB相位設計的超表面由于只對與入射波正交偏振的分量起到調制作用，而對與入射波同偏振方向的分量沒有調制效果，同時，這類超表面會產生雙向輻射，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)結構或透射型的惠更斯超表面來實現。反射型的MIM結構是在超表面基底下方引入一層金屬反射層，金屬反射層能夠將電磁波全部反射出去，可以將器件效率提高至90%以上[12]�；莞钩砻媸且环N高透射率的多層超表面，由電共振結構和磁共振結構組成。比如在超表面器件上下各加一層金屬光柵結構或者采用ABA結構，通過設計超表面與光柵之間的介質層厚度實現最大效率的偏振轉化，最終使器件的效率達到85%以上[13-15]。


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