Advanced Photonics 2021年第3期论文
Xiaodong Cai, Rong Tang, Haoyang Zhou, Qiushi Li, Shaojie Ma, Dongyi Wang, Tong Liu, Xiaohui Ling, Wei Tan, Qiong He, Shiyi Xiao, Lei Zhou. Dynamically controlling terahertz wavefronts with cascaded metasurfaces [J]. Advanced Photonics, 2021, 3(3): 036003
太赫兹波由于其在通讯、雷达、安检成像、生物及化学检测等方面具有重要的应用价值，近来引起了研究人员的广泛关注。除了太赫兹源、太赫兹检测仪，能够动态调控太赫兹波前的超紧凑设备在这些应用中也有着迫切的需求。然而，自然材料与太赫兹波之间的响应非常微弱，传统太赫兹器件通常面临着尺寸大、效率低的问题，而有效的动态调控手段的缺乏使得“主动”的超紧凑太赫兹器件就更加缺乏和难以实现。
近几年超表面相关研究的快速发展为实现超紧凑、高效的太赫兹波前动态调控器件提供了可能。作为由亚波长人工原子通过特殊宏观序列构成的超薄超材料，超表面对电磁波波前调控展现出强大的调控能力。通过设计对透射或反射具有特定相位分布的超表面，研究人员们已经展示了许多令人着迷的现象，如波束偏折、极化调控、光子自旋霍尔效应和全息成像。此外，将各类连接外部激励的有源元件（如PIN二极管、变容二极管）集成在被动超表面中，并通过局域调控方式点对点地调控每个人工原子的相位，研究人员们已经在微波段实现了一系列电磁波波前动态调控的现象，如波束扫描、编码全息成像、动态成像等。
然而，这样的方式在高频段（太赫兹、光频）却难以实现，关键问题在于：首先，这类有源元件的尺寸通常都是毫米级的，由于尺寸限制以及不可避免地欧姆损耗，难以应用在高频段（微米及纳米级）的超表面中；其次，这样的调控方式局限在对人工原子点对点的相位调控，使得在微波段的超表面系统已经较为复杂，在高频段就更加难以实现。因此，我们亟需寻找新的调控方式，突破现有的有源阵列构型的电磁波动态调控架构，以实现低成本太赫兹波前动态调控。
近日，针对上述问题，上海大学通信学院肖诗逸课题组和复旦大学物理系周磊课题组合作，提出了一套新的普适理论框架用以动态调控太赫兹波前。不同于通过有源元件实现局域调控的方式，研究团队引入了一种新的自由度“空间构型重构”，仅通过旋转多层级联超表面就可以动态改变透射波的极化和波前状态。相关工作以Dynamically controlling terahertz wavefronts with cascaded metasurfaces为题，发表在Advanced Photonics 2021年第3期。
该工作的核心思想可以解释为：对于单层被动超表面，透射波的波前由超表面人工原子的平均相位决定，而极化与相位差及人工原子方向角相关（描述为庞加莱球上的单次旋转操作），这样少量的自由度使得这样的体系无法实现对波前-极化足够自由且动态的调控，而通过多层被动超表面级联并分别赋予不同转速的方式引入“空间构型重构”这一自由度，整个系统获得了具有随时间演化的琼斯矩阵特性，且透射波波前取决于每层超表面平均相位之和，极化状态与每层超表面相位差及方向角相关，描述为庞加莱球上连续的多次旋转操作，因此对入射波的波前和极化能够实现动态且自由的调控。
在这一新理论框架下，研究团队演示了两种简单的案例，两种全介质级联超表面器件分别被设计、加工以及实验表征，其中第一个器件可以有效将太赫兹波在大角度范围内进行动态波束扫描，而第二个器件则可以动态调控太赫兹波的波前和极化状态。
和角速度
的多层超表面级联而成。(b) 和(c) 分别展示了局域位置处随时间t演化的平均相位
和庞加莱球上极化的演变。
图3 一种动态波束扫描超表面器件的演示。(a) 超表面器件的示意图，由两层透射超表面组成，并通过一个电动旋转台对齐。级联超表面中单层样品SEM照片的 (b) 顶视图和 (c) 底视图。(d) 实验装置示意图。当级联超表面沿着路径I旋转，一束频率为0.7 THz的左旋圆极化波入射到样品时，不同时刻 (e) 实验和 (f) 仿真的远场散射功率分布图。(g) 当级联超表面沿着路径I和II旋转，k空间中透射波的演化，其中实线 (星号)表示仿真 (实验) 结果，蓝色区域表示波束扫描的覆盖范围。
这一工作突破了现有有源阵列构型的电磁波动态调控架构，不仅为实现低成本太赫兹波前调控提供了替代方案，更将刺激所有频段内的应用在未来的发展（如太赫兹雷达、波束调控和极化复用、生物和化学传感及成像等）。
作
者
简
介
肖诗逸，上海大学通信与信息工程学院教授。2013年在复旦大学物理系获得理学博士学位，2014至2016年在英国伯明翰大学任博士后研究员，2016年加入上海大学通信与信息工程学院。2014年获上海市优秀博士论文，2016年获上海市“东方学者”岗位计划，2018年获上海市“青年启明星”称号，2019年获国家自然科学奖二等奖，2020年获上海市“东方学者跟踪计划”。主要研究领域为电磁超构材料/超构表面、纳米光子学，在Nature Materials，Nature Communications，Laser & Photonics Reviews等期刊上发表学术论文40余篇。
周磊，复旦大学物理学系教授，教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，2019年度国家自然科学奖二等奖获得者，Photonics Insights 共主编。1997年在复旦大学物理系获得理学博士学位，1997年至2000年在日本仙台东北大学金属材料研究所任博士后研究员，2004年加入复旦大学物理系，2013年任复旦大学物理系谢希德冠名教授，2019年当选为美国光学学会会士。研究领域包括电磁超构材料/超构表面、纳米光子学、磁性等。
编辑 | 皇甫
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