撰稿|由课题组供稿
近日，天津大学太赫兹研究中心、桂林电子科技大学、美国俄克拉荷马州立大学联合提出了一种新型的电磁波全参量调控超表面设计方案，采用两对旋转的全介质微结构即可便利地实现对透射光振幅、相位和偏振的独立调控（如图1所示），并基于此设计了五通道全息成像及光学信息加密器件。相关研究成果以“Spin-Decoupled Interference Metasurfaces for Complete Complex-Vectorial-Field Control and Five-Channel Imaging”为题发表于期刊《Advanced Science》。
图1. 矢量场调控示意图。
电磁波是一种由振幅、相位和偏振联合描述的矢量场，通常可用四个参量进行完全表示，即两个正交偏振态的振幅和相位。能操控的电磁参量数目越多，所能实现的电磁波功能器件就可以拥有更多的功能和更高的质量。天津大学太赫兹研究中心长期致力于太赫兹波前调控超表面的研究，不断地扩展了超表面在太赫兹领域的应用范围。特别是近年来在全介质超表面方面，逐步深入地开展了多项研究，通过设计调控单元中有效几何调节自由度的数目，实现了对太赫兹波从单一参量调控到多参量联合调控的能力拓展：2017年，采用圆形硅柱微结构，通过改变圆柱半径这一几何自由度，实现了对太赫兹波相位这一单一参量的高效调控（Photonics Research 2017, 6, 24）；2018年，采用具有半波片特性的矩形硅柱微结构，通过改变结构尺寸和旋转角度这两个几何调节自由度，实现了对交叉出射线偏振太赫兹波振幅和相位的双参量独立调控（ACS Photonics 2018, 5, 599）；同年，通过控制矩形硅柱微结构的各向异性，即长和宽这两个几何调节自由度，实现了对两正交线偏振出射太赫兹波相位的双参量独立调控（Advanced Optical Materials 2018, 6, 1700773）；2019-2022年，通过调控具有半波片特性的矩形硅柱微结构的尺寸和旋转角度这两个几何调节自由度，又进一步在圆偏振基下实现了对两正交圆偏振出射波相位的双参量独立调控（ACS Photonics 2019, 6, 2933; Nanophotonics 2020, 9, 3393; Photonics Research 2022, 10, 1695）；2018-2020年间的一些初步研究表明，通过将两个硅柱微结构组成一个调控单元，有望获得更多有效几何调节自由度，以实现单个微结构难以实现的功能（Photonics Research 2018, 6, 1056; Physical Review Applied 2020, 13, 034042）；2021年，采用两对硅柱微结构构成的调控单元，通过同时控制两对硅柱微结构的长和宽等四个几何调节自由度来产生不同的干涉叠加效果，实现了对两正交线偏振出射太赫兹波振幅和相位的四参量独立调控（Advanced Optical Materials 2021, 10, 2101223）。然而，上述研究大多是以“暴力仿真”方式来实现的，针对于不同的工作频率需要各自扫描参数获取一组完备的微结构数据库。探索更加便利的全参量调控方案，成为了一个新的课题。
图2. 天津大学太赫兹研究中心近年来在介质超表面波前调控方面的工作汇总。
单元设计。该工作基于单层透射式介质超表面，提出了一种新颖的自旋解耦干涉方式，在太赫兹波段实现了对两正交圆偏振出射波振幅和相位的独立调控（四参量）。该超表面的基本调控单元仅涉及两对具有半波片性质的矩形硅柱微结构，理论推导发现，当这两种微结构的整体传播相位相差𝜋/2时，即可通过简单地控制它们的旋转角度实现圆偏振基下的全参量调控，且四个旋转角度和四个参量间的关系可通过解析式进行有效描述。
图3. (a)调控单元三维视图；(b)调控单元俯视图；(c)圆偏振基下矩形硅柱微结构的透射谱；(d)矩形硅柱相位谱；(e)超表面设计流程图。
图4 五通道成像
图5 光学信息加密
该工作得到了国家自然科学基金、天津市杰出青年基金等项目的支持。天津大学博士生吴桐为第一作者，天津大学张学迁副教授、韩家广教授和美国俄克拉荷马州立大学张伟力教授为该工作的共同通讯作者，天津大学许全副研究员等人亦对本工作做出了重要贡献。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202204664
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