超构表面太赫兹光场调控：拓展空间维度

撰稿|李杰

近日，天津大学姚建铨院士团队、首都师范大学张岩教授团队合作，基于大面积全硅超构表面，通过对正交圆偏振分量初始及传播相位的差异化设计，创新性的实现了三个空间维度的太赫兹波结构化偏振态调控。实验上观测到了沿波束传输方向演化的太赫兹矢量偏振态。该工作拓展了太赫兹超表面相位、偏振、波前设计的空间维度，为基于超构器件的太赫兹波调控技术提供了新的思路。论文以《Structured Vector Field Manipulation of Terahertz Wave along the Propagation Direction Based on Dielectric Metasurfaces》为题发表在《Laser & Photonics Reviews》上(DOI: https://doi.org/10.1002/lpor.202200325)。已毕业博士生李杰为第一作者，张雅婷副教授、张岩教授、姚建铨院士为论文共同通讯作者，论文得到其他多位作者的有益讨论与帮助。工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划项目的资助。

近年来，太赫兹科学与技术的研究热度不断攀升。太赫兹技术在超快载流子动力学、天文学等基础研究领域及下一代无线通信、生物医学检测、近场扫描显微成像等应用科学领域的重要地位日益凸显。辐射源、传输与控制及探测感知是太赫兹技术进一步发展需要重点攻关的三个方面。太赫兹超构表面为太赫兹波的自由空间传输控制提供了新的技术方案，有望成为未来新型太赫兹功能器件的重要组成部分。经过十年左右的发展，目前太赫兹超构表面正从早期的单一参数控制、单一调控通道设计往多参数复合调控、多通道独立设计、可编程等方向继续推进，且太赫兹波调控的时空维度逐步拓展。对于太赫兹波传输调控的空间维度，已有报道在设计太赫兹波的振幅、偏振、波前等电磁特性时主要关注的是其与超构表面作用后在传输方向法向平面内的初始状态，在后续的传播过程中主要依靠自由空间的自然传输。如果能够在传播方向上进行人为地控制，将进一步拓展太赫兹波调控的空间维度。

在本项工作中，研究团队以传输方向上的矢量偏振态控制作为展示实例，验证了利用超构表面实现太赫兹波三个空间维度同时调控的可能性。团队采用超表面自旋复用的双通道相位设计方法，通过大面积制备的全硅结构(图1(a))实现了正交圆偏振太赫兹波的独立相位控制，利用两个分量的反向螺旋波前叠加完成了矢量偏振态的生成。为了获得传播方向上两个正交偏振分量之间位置相关的相位差，使用了长焦深、错位聚焦的波前变换设计，再结合太赫兹波从超构表面透射后的初始相位设计，实现了初始相位、传播相位共同决定的轴向变换矢量偏振态分布。值得一提的是，长焦深的汇聚相位设计能够产生沿着光束传播方向的纵向电场分量。由于自旋轨道耦合效应，横向电场分量的复振幅分布将影响纵向分量的分布特性，从而同时实现三个电场分量的有效控制(图1(b))。

图1. 超构表面在三个空间维度的太赫兹波结构化偏振态调控。(a) 全硅超表面示意图；(b) 线偏振太赫兹波入射产生轴向变换矢量偏振态分布。

作为直接实验验证，研究团队利用二维电光采样的太赫兹实时成像系统测试了全硅超表面样品在不同空间位置处线偏振分量的复振幅分布，测试结果如图2 (c)、2 (d)所示。径向、轴向等规则的矢量光束中，某一线偏振分量的光强分布具有一条过中心的暗条纹，当矢量光束具有不同初始偏振方位角时该暗条纹将具有不同的指向，因此可以通过该指向来区分不同的矢量偏振态。显然，我们在距离样品分别为5.5毫米和6毫米处测得了不同的暗条纹指向。

 图2. 超构表面偏振态调控的实验验证。(a) 全硅超表面局部扫描电镜图；(b) 太赫兹实时成像系统示意图；(c), (d) 不同距离处测得的线偏振分量光强分布。

超构表面太赫兹调控在空间维度上的拓展将促进太赫兹空间传输控制技术的进一步发展，为太赫兹应用奠定重要基础。本研究以矢量偏振态在光束传播方向上的调控为例证明了太赫兹电磁特性在三个空间维度上同时控制的可能性，并且可以将该方法推广应用到振幅、轨道角动量等其他电磁参数的控制中。本研究为基于超构器件的多通道、多时空维度太赫兹光场调控技术提供了新的思路。

论文信息

作者：Jie Li, Jitao Li, Zhen Yue, Chenglong Zheng, Guocui Wang, Jingyu Liu, Hang Xu,Chunyu Song, Fan Yang, Hui Li, Fuyu Li, Tingting Tang, Yating Zhang, Yan Zhang, and Jianquan Yao.

题目：Structured Vector Field Manipulation of Terahertz Wave along the Propagation Direction Based on Dielectric Metasurfaces.

DOI: https://doi.org/10.1002/lpor.202200325

完成单位：天津大学、首都师范大学、北京理工大学、成都信息工程大学；