导读：
近日，星空网页版登录入口光电工程学院和天津大学太赫兹研究中心在太赫兹波操控领域取得最新进展。该研究团队创新地提出了一种新型的金属-电介质-金属结构单元设计，其中，巧妙采用了环烯烃共聚物（COC）这一低电磁损耗的柔性材料，作为两个C型开口谐振环（CSRRs）之间的隔离介质。此种设计策略不仅显著简化了整体结构的复杂度，更重要的是，它实现了对圆偏振波的振幅与相位的独立且同步控制，这为执行复杂且精细的太赫兹波前调控功能提供了可能。相关成果以“Twisted Stacking Metasurface for Complete Amplitude and Phase Control of Circularly Polarized Terahertz Waves”为题发表在Laser & Photonics Reviews上（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202400644）。
研究背景
太赫兹波在高速无线通信、安全检查和传感等领域具有广泛的应用，以及对太赫兹波的有效操控对推动相关技术的发展至关重要。超表面作为一种创新技术，以亚波长光学元件的二维阵列为特征，为电磁波的相位、振幅和偏振控制提供了一个多功能平台。在各种电磁波调制应用中，同步的相位和幅度控制至关重要。传统上，通过调整超表面结构的多个几何参数（如大小、形状和方向角），可以实现振幅和相位的同时控制。结构几何尺寸的变化，依赖于大量的仿真计算，如果不改变单元结构几何尺寸，而是引入简单的操作，就可以实现对振幅相位的调控，为基于超表面的太赫兹功能器件设计提供了更为便捷的途径和方法。本研究通过层间结构的简单旋转，达到了这一目的，为太赫兹调控的提供了更高的自由度和选择。
研究亮点
图1太赫兹全息超表面示意图
研究团队所提出的基于C型开口环谐振器（CSRRs）的双层扭转超表面结构，其核心在于通过精确操纵两层CSRRs之间的耦合效应，实现了振幅的灵活控制，同时借助Pancharatnam-Berry（PB）相位原理，对相位进行了精确调控。这种双重调控机制，无需改变CSRRs的基本结构参数，只要通过改变CSRRs各自的取向角，就可以实现振幅和相位的同时调控，极大地增强了设计的灵活性和实用性。这种创新的方法有助于实现完美的全息，并在太赫兹成像中显示出巨大的潜力。随着柔性材料的发展和层间耦合效率的提高，通过层间耦合控制太赫兹波将成为太赫兹技术的关键进展。
同时研究团队利用耦合模理论 (TCMT)模型详细解释了振幅和相位的控制机制，包括耦合系数、固有损耗率和辐射损耗率对系统性能的影响。同时还结合微型电机的使用，该研究还探讨了通过旋转驱动结构实现可编程的振幅和相位控制。这一功能可以进一步扩展至高质量全息成像、透镜和涡旋波束的生成。图2为超表面结构的示意图，包括两个结构参数相同的CSRRs和100 μm厚的柔性材料COC作为基底层。在CP入射下，顶部和底部的CSRRs被激发，通过调整顶部和底部CSRRs各自的取向角(θ1和θ2)，可以灵活地调节超表面的振幅和相位响应。
图2 超表面模拟仿真与数值拟合结果。
基于上述理论模型，研究团队精心设计并制作了一幅振幅与相位同步调控的全息图，验证超表面振幅和相位同步调控的能力。设计的全息成像平面距离全息超表面8 mm，工作频率在0.6 THz。全息图由130 × 130个像素组成，每个像素代表一个单元结构，尺寸为14.17 mm × 14.17 mm。加工完成后使用近场扫描太赫兹显微镜(NSTM)表征全息图的性能。
图3 不同频率下全息成像的实验结果
为验证这一设计概念，研究团队制作了一个全息超表面，并通过实验展示了其对THz波前的操控能力。该全息超表面在0.6 THz的频率下表现出色，成功实现了高质量的全息图像再现，验证了其在振幅和相位调制方面的有效性和卓越性能。
总结与展望
本工作提出了一种采用扭曲折叠为设计原理的超表面系统，包括两个几何特征相同的CSRRs。基于PB相位原理和层间耦合效应，该系统能够精确控制太赫兹波的相位和振幅。其设计框架与机械可编程超表面可以无缝集成，在微电机辅助下可实现振幅和相位的可重构主动调制，增强了动态控制能力。该设计方法具有多功能性优势并且原理简单和易于制造；同时适用于其他频率范围。此外，该工作提出的原理不仅适用于为波前控制定制的超表面，还可以扩展到采用不同谐振单元结构的超表面，大大拓宽了潜在的应用范围，增强了多功能性。论文的第一作者为星空网页版登录入口光电工程学院的博士研究生郝晓源，论文共同通讯作者为天津大学韩家广教授、张学迁副教授、许全副教授，星空网页版登录入口成晓梦副教授。上述研究工作得到了国家自然科学基金资助和星空网页版登录入口博士研究生创新项目。
论文信息：
Xiaoyuan Hao, Quan Xu*, Li Niu, Zhibo Yao, Mai Liu, Tong Wu, Xinyao Yuan, Yupeng Chen, Xueqian Zhang*, Xiaomeng Cheng*, Yanfeng Li, Quan Li, Weili Zhang, and Jiaguang Han*, Twisted Stacking Metasurface for Complete Amplitude and Phase Control of Circularly Polarized Terahertz Waves,Laser & Photonics Reviews, (2024), 2400644
原文链接：
https://doi.org/10.1002/lpor.202400644
