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(duì)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(shì),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(lái)基于超表面的太赫茲波前調(diào)制器件的研究進(jìn)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(duì)電磁波的振幅、相位調(diào)控機(jī)理,并討論了實(shí)現(xiàn)高效率超表面的方法。之后,介紹了用于設(shè)計(jì)波前調(diào)制超表面器件的純相位調(diào)制方法和復(fù)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(fù)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(jì)的超表面可實(shí)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(fù)用、偏振復(fù)用等功能復(fù)用的太赫茲超表面器件被提出。隨著對(duì)太赫茲波前動(dòng)態(tài)調(diào)控需求的增長(zhǎng),一些主動(dòng)的太赫茲超表面器件被提出并在實(shí)驗(yàn)上被驗(yàn)證。共有兩種主動(dòng)的超表面器件。其中一種主動(dòng)超表面是通過(guò)將超表面結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體材料或相變材料結(jié)合形成的,另一種是通過(guò)光泵浦... 

【文章來(lái)源】：紅外與激光工程. 2020,49(09)北大核心EICSCD

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【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(jì)；(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(qiáng)度分布，還能調(diào)控電磁波的傳播方向。東南大學(xué)崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)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�(gè)方向，降低雷達(dá)散射截面，將這一超表面覆蓋在飛機(jī)、艦船的表面可有效躲避太赫茲雷達(dá)的捕獲，做到有效隱身[23-24]。除此之外，該團(tuán)隊(duì)還提出了實(shí)現(xiàn)太赫茲定向波束指向的超表面設(shè)計(jì)方案[25]，并在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到了波束偏轉(zhuǎn)，如圖2(d)所示。該技術(shù)可應(yīng)用于太赫茲通信、太赫茲雷達(dá)等領(lǐng)域。4 功能復(fù)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(dāng)電磁波入射時(shí)，能夠同時(shí)激發(fā)電偶極共振和磁偶極共振，通過(guò)調(diào)節(jié)諧振單元的幾何參數(shù)可以實(shí)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(duì)入射光的偏振不依賴，對(duì)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(zhǎng)比擬。因此，全介質(zhì)超表面器件的厚度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(huì)引入金屬損耗，同時(shí)具有較強(qiáng)的磁共振，通常被用于高效率超表面器件的設(shè)計(jì)中。根據(jù)超表面中光天線單元的電磁調(diào)制機(jī)理可知，基于LSPR和PB相位設(shè)計(jì)的超表面由于只對(duì)與入射波正交偏振的分量起到調(diào)制作用，而對(duì)與入射波同偏振方向的分量沒有調(diào)制效果，同時(shí)，這類超表面會(huì)產(chǎn)生雙向輻射，導(dǎo)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(guò)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(lái)實(shí)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糠瓷涑鋈ィ梢詫⑵骷侍岣咧?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(guò)設(shè)計(jì)超表面與光柵之間的介質(zhì)層厚度實(shí)現(xiàn)最大效率的偏振轉(zhuǎn)化，最終使器件的效率達(dá)到85%以上[13-15]。


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