太赫兹波前调制超表面器件研究进展
发布时间：2022-01-03 15:44
超表面是一种由人工微结构组成的超薄平面器件,能够实现对电磁波振幅、相位以及偏振态的调控,具有体积小、重量轻、集成度高、可灵活操控电磁波等优势,在电磁波谱、波前调制中发挥着巨大的作用。综述了近年来基于超表面的太赫兹波前调制器件的研究进展。总结了基于Pancharatnam-Berry相位、基于局域表面等离子体共振（LSPR）、基于Mie共振的三种超表面单元结构对电磁波的振幅、相位调控机理,并讨论了实现高效率超表面的方法。之后,介绍了用于设计波前调制超表面器件的纯相位调制方法和复振幅调制方法。综述了在太赫兹波段典型的超表面波前调制器,包括单一功能、复合功能以及可调谐功能的超表面波前调制器件。在早期的研究工作中,设计的超表面可实现波束偏转、波束聚焦、全息成像、以及涡旋光束、自聚焦光束、洛伦兹光束等特殊光束产生等功能。为提高太赫兹器件的利用率,波分复用、偏振复用等功能复用的太赫兹超表面器件被提出。随着对太赫兹波前动态调控需求的增长,一些主动的太赫兹超表面器件被提出并在实验上被验证。共有两种主动的超表面器件。其中一种主动超表面是通过将超表面结构与半导体材料或相变材料结合形成的,另一种是通过光泵浦...
【文章来源】：红外与激光工程. 2020,49(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
(a)太赫兹波前调制全光等离子体超表面示意图；(b)基于PB相位的光致天线设计；(c)用CCD捕获到的投影到硅片上的光致全息图
利用超表面不仅能够调控电磁波波前的相位和强度分布，还能调控电磁波的传播方向。东南大学崔铁军院士团队提出了宽带低散射的太赫兹超表面，能够将入射到超表面上的太赫兹波漫反射到各个方向，降低雷达散射截面，将这一超表面覆盖在飞机、舰船的表面可有效躲避太赫兹雷达的捕获，做到有效隐身[23-24]。除此之外，该团队还提出了实现太赫兹定向波束指向的超表面设计方案[25]，并在实验上观测到了波束偏转，如图2(d)所示。该技术可应用于太赫兹通信、太赫兹雷达等领域。4 功能复用的太赫兹波前调制超表面
基于Mie共振的超表面调制单元是由高折射率材料制备的介质光天线。如图1(c)所示，当电磁波入射时，能够同时激发电偶极共振和磁偶极共振，通过调节谐振单元的几何参数可以实现散射波的相位从0到2π的调控。这种全介质光天线对入射光的偏振不依赖，对同偏振分量的散射波具有同样的相位调制效果。为了支持磁偶极子共振模式，全介质光天线的厚度较大，通常可以与介质材料中的波长比拟。因此，全介质超表面器件的厚度要远远大于金属超表面器件的厚度。相比基于LSPR和PB相位的光天线单元，介质光天线单元由于不会引入金属损耗，同时具有较强的磁共振，通常被用于高效率超表面器件的设计中。根据超表面中光天线单元的电磁调制机理可知，基于LSPR和PB相位设计的超表面由于只对与入射波正交偏振的分量起到调制作用，而对与入射波同偏振方向的分量没有调制效果，同时，这类超表面会产生双向辐射，导致透射的能量大幅降低。因此，此类超表面器件的效率通常较低。为提高器件的效率，除了采用基于Mie共振的超表面之外，还可通过采用反射型的MIM(metal–insulator–metal,MIM)结构或透射型的惠更斯超表面来实现。反射型的MIM结构是在超表面基底下方引入一层金属反射层，金属反射层能够将电磁波全部反射出去，可以将器件效率提高至90%以上[12]。惠更斯超表面是一种高透射率的多层超表面，由电共振结构和磁共振结构组成。比如在超表面器件上下各加一层金属光栅结构或者采用ABA结构，通过设计超表面与光栅之间的介质层厚度实现最大效率的偏振转化，最终使器件的效率达到85%以上[13-15]。
本文编号：3566538
【文章来源】：红外与激光工程. 2020,49(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
(a)太赫兹波前调制全光等离子体超表面示意图；(b)基于PB相位的光致天线设计；(c)用CCD捕获到的投影到硅片上的光致全息图
利用超表面不仅能够调控电磁波波前的相位和强度分布，还能调控电磁波的传播方向。东南大学崔铁军院士团队提出了宽带低散射的太赫兹超表面，能够将入射到超表面上的太赫兹波漫反射到各个方向，降低雷达散射截面，将这一超表面覆盖在飞机、舰船的表面可有效躲避太赫兹雷达的捕获，做到有效隐身[23-24]。除此之外，该团队还提出了实现太赫兹定向波束指向的超表面设计方案[25]，并在实验上观测到了波束偏转，如图2(d)所示。该技术可应用于太赫兹通信、太赫兹雷达等领域。4 功能复用的太赫兹波前调制超表面
基于Mie共振的超表面调制单元是由高折射率材料制备的介质光天线。如图1(c)所示，当电磁波入射时，能够同时激发电偶极共振和磁偶极共振，通过调节谐振单元的几何参数可以实现散射波的相位从0到2π的调控。这种全介质光天线对入射光的偏振不依赖，对同偏振分量的散射波具有同样的相位调制效果。为了支持磁偶极子共振模式，全介质光天线的厚度较大，通常可以与介质材料中的波长比拟。因此，全介质超表面器件的厚度要远远大于金属超表面器件的厚度。相比基于LSPR和PB相位的光天线单元，介质光天线单元由于不会引入金属损耗，同时具有较强的磁共振，通常被用于高效率超表面器件的设计中。根据超表面中光天线单元的电磁调制机理可知，基于LSPR和PB相位设计的超表面由于只对与入射波正交偏振的分量起到调制作用，而对与入射波同偏振方向的分量没有调制效果，同时，这类超表面会产生双向辐射，导致透射的能量大幅降低。因此，此类超表面器件的效率通常较低。为提高器件的效率，除了采用基于Mie共振的超表面之外，还可通过采用反射型的MIM(metal–insulator–metal,MIM)结构或透射型的惠更斯超表面来实现。反射型的MIM结构是在超表面基底下方引入一层金属反射层，金属反射层能够将电磁波全部反射出去，可以将器件效率提高至90%以上[12]。惠更斯超表面是一种高透射率的多层超表面，由电共振结构和磁共振结构组成。比如在超表面器件上下各加一层金属光栅结构或者采用ABA结构，通过设计超表面与光栅之间的介质层厚度实现最大效率的偏振转化，最终使器件的效率达到85%以上[13-15]。
本文编号：3566538
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