用于交叉極化偏轉(zhuǎn)、聚焦和軌道角動量的太赫茲石墨烯超表面

超構(gòu)表面（metasurface）是一種新興的二維超構(gòu)材料（metamaterial），其由人工超構(gòu)原子組成，可以在亞波長尺度上自由地操縱電磁波的振幅、相位和偏振等。通過精心設(shè)計相位分布，研究人員已經(jīng)開發(fā)出超構(gòu)表面的許多應(yīng)用。

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子組成的二維材料。由于其具有高電子遷移率和可調(diào)諧電光特性，石墨烯引起了人們的廣泛關(guān)注。憑借其新穎的光學(xué)特性，石墨烯基的各向異性結(jié)構(gòu)被廣泛用于控制電磁波的偏振狀態(tài)——偏振是電磁波的一個重要特性。石墨烯在新興領(lǐng)域發(fā)展了廣泛的應(yīng)用，例如全息成像、吸收器和偏振器等。近年來，由于石墨烯的電導(dǎo)率可隨費米能級調(diào)諧，因而在動態(tài)超構(gòu)表面上有著廣泛的應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院宋爭勇副教授課題組在Optics Express發(fā)表了以“Terahertz graphene metasurfaces for cross-polarized deflection, focusing, and orbital angular momentum”為主題的研究論文。宋爭勇副教授為該研究論文的通訊作者，主要從事太赫茲人工智能陣列天線、人工智能電磁超構(gòu)表面/超構(gòu)材料、微波毫米波、微納光子學(xué)、等離激元光子學(xué)和太赫茲技術(shù)的研究工作。

四個石墨烯基超構(gòu)原子的3D示意圖

這項研究工作中，設(shè)計了四個石墨烯基超構(gòu)原子，通過改變石墨烯的費米能級來調(diào)節(jié)太赫茲波的偏振態(tài)。當(dāng)費米能級為0.01eV時，四個超構(gòu)原子在1.18THz處可發(fā)射出相位差為90°的交叉偏振波，相對應(yīng)的偏振轉(zhuǎn)換率可達(dá)到約90%。當(dāng)費米能級調(diào)整到0.70eV時，線性相位梯度消失，交叉偏振波也幾乎消失。隨后，利用四個選定的石墨烯基超構(gòu)原子，設(shè)計了梯度超構(gòu)表面、超構(gòu)透鏡和渦旋光束發(fā)生器三種動態(tài)超構(gòu)表面來控制反射光束的波前。本研究所設(shè)計的超構(gòu)表面將波前控制與偏振操縱成功結(jié)合，大幅提升了控制電磁波的能力。該設(shè)計可能有許多潛在應(yīng)用，如太赫茲開關(guān)、成像和偏振分束器。

梯度超構(gòu)表面的3D示意圖及其特性變化

超構(gòu)透鏡的3D示意圖及其特性變化

渦旋光束發(fā)生器的3D示意圖及其相位分布卷積運算過程

這項研究設(shè)計了三種動態(tài)超構(gòu)表面：梯度超構(gòu)表面、超構(gòu)透鏡和渦旋光束發(fā)生器。首先，梯度超構(gòu)表面可以通過改變費米能級，自由轉(zhuǎn)換交叉偏振的不規(guī)則反射和共偏振的鏡面反射。其次，提出了一種可通過調(diào)整費米能級，用于不同偏振態(tài)動態(tài)聚焦和散焦光束的超構(gòu)透鏡。最后，渦旋光束發(fā)生器可通過調(diào)節(jié)費米能級，實現(xiàn)切換不同偏振狀態(tài)的軌道角動量（OAM）模式。這項研究設(shè)計可以為太赫茲與其他頻域的可切換器件設(shè)計帶來自由。

這項研究工作獲得國家自然科學(xué)基金（11974294）的支持。該研究第一作者為廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院Canhui He。

論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OE.462330

審核編輯 ：李倩