电磁波振幅、相位、偏振全参数控制

撰稿|由课题组供稿

振幅、相位、偏振是电磁波的基本参数，实现对这些电磁参数的全部且同时控制是实现更复杂、更高质量电磁波功能器件的关键。目前报道的基于超表面的电磁波调控方法，通常只能对电磁波部分参数进行控制，进而限制了它的调控能力。发展新的方法，实现对电磁波振幅、相位、偏振的全参数控制，是超表面研究领域中一个富有挑战的课题。近日，天津大学太赫兹研究中心通过在单元结构设计中引入偏振独立干涉效应，在电磁波全参数控制的研究中取得新进展，相关研究成果以“Dielectric Metasurfaces for Complete Control of Phase, Amplitude, and Polarization”为题发表在期刊《Advanced Optical Materials》上。

干涉是电磁波波动性的基本体现，同时干涉具有偏振依赖的特性，对于两正交偏振的电磁波，其干涉效应互不影响，如图1a所示。基于这一基本思想，研究团队设计了如图1b所示的透射式调控单元，该单元由两对全介质矩形高阻硅柱构成，相同尺寸的两个硅柱分别放在正方晶格的主对角和副对角中心处，整体调控单元的周期被控制在亚波长尺度。该设计方案利用偏振独立的干涉效应将不同硅柱本身的由其长宽控制的偏振相关透射调控能力联系起来，增加了调控单元的有效几何调节自由度，进而获得了对电磁波全参数的控制能力。通过改变单个硅柱的长和宽，可实现对x和y两个正交偏振通道的完全且独立的相位控制^1-3，再通过分别控制两种硅柱对应的透射相位便有望利用干涉效应对各自通道内的透射振幅和相位进行同时控制，最终实现电磁波全参数调控。

图1 (a)偏振独立干涉模型；(b)调控单元结构示意图。

为了得到亚波长尺度的电磁波全参数控制，调控单元内的硅柱距离不可避免会比较近，这为干涉设计带来了挑战，因为在具体的场相互作用过程中，不同硅柱间的近场耦合效应会对预期的远场干涉效应带来巨大影响。这一影响推测与硅柱本身对场的束缚能力有关，束缚能力越弱、场向外扩展越大，近场耦合作用就更强，与干涉理论计算结果的偏移就越大，导致无法简单通过控制单独硅柱的相位来实现预期效果。这一点与以往的基于衍射效应的全参数控制调控单元不同，其中的耦合效应影响可通过大于波长的调控单元尺度设计而人为降低。研究团队为了保持超表面的亚波长调控精度，在太赫兹波段采用了参数扫描仿真的方法，来获取存在耦合效应情况的具体的调控单元透射响应情况。如图2所示，可以看到，该调控单元的偏振相关透射响应基本覆盖了两个正交偏振通道的振幅和相位空间。这也同时表明，虽然耦合对干涉模型有较大的影响，但具体的结构响应和干涉效应还是能够为全参数控制提供足够的可能性，使该参数扫描响应可作为一个近乎完备的可实现太赫兹波全参数控制的亚波长调控单元数据库。

图2 调控单元数据库示意图。

基于该数据库，研究团队展示了三种奇异全息器件，即偏振无关全息器件、偏振复用全息器件以及矢量全息器件。在未使用任何迭代优化算法，仅使用一次衍射公式即把目标像的振幅和相位同时还原出来，且实验结果和理论设计吻合很好，如图3所示，该工作提出的设计方案和波前调控方法为设计电磁波全参数控制件开辟了一条有效途径，并可广泛用于各种复杂的电磁波功能器件的实现。

图3 (a-d)偏振无关全息器件；(e-j)偏振复用全息器件；(k-m)矢量全息器件。