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研究人员通过旋转层叠超表面的层来动态控制THz波面

2021-08-01 09:10 · 稿源:cnbeta

太赫兹(THz)系统中的电磁(EM)波在通信、安全成像、生物和化学传感方面有着重要应用。这种广泛的适用性已经带来了重大的技术进步。然而,由于天然材料和太赫兹波之间的弱相互作用,传统的太赫兹设备通常是笨重和低效的。虽然超紧凑的有源太赫兹设备确实存在,但目前对电子和光子的动态控制方法缺乏效率。

最近,超表面技术的快速发展为创建高效、超紧凑的动态波前控制的太赫兹设备提供了新的可能性。超薄的超材料由亚波长的平面微结构(即超原子)形成,超表面能够为控制电磁波面提供定制的光学响应。通过构建具有某些预先设计的透射或反射波相位轮廓的元表面,科学家们已经展示了有趣的波操纵效应,如反常的光偏转、偏振操纵、光子自旋霍尔和全息图。

Dynamic-Beam-Steering-Metadevice.jpg

动态光束转向元装置的演示。(a) 元设备的示意图,它由两层透射元表面组成,通过电动旋转台排列。(b) 制造的元装置的俯视图(左)和(c)底视图(右)SEM照片。(d) 用于描述元器件的实验装置示意图。(e) 实验和(f)模拟的远场散射功率分布,元器件由0.7THz的LCP光照亮,并在不同时间段沿路径I演化。(g) 当元设备沿路径I和路径II移动时,k方向球面上的传输波方向的演变,实线(星形符号)表示模拟(实验)的结果。这里,蓝色区域表示波束转向覆盖的实体角度。

此外,将有源元件与无源元表面内的单个元原子整合在一起,可以实现 "有源"元设备,可以动态地操纵电磁波面。虽然在微波系统中很容易找到深亚波长的有源元件(如PIN二极管和变阻器),并成功地促进了用于光束转向、可编程全息图和动态成像的有源元器件,但它们很难在高于太赫兹的频率下创建。这种困难是由于电子电路中的尺寸限制和显著的欧姆损耗。尽管太赫兹频率能够以统一的方式控制太赫兹光束,但通常无法动态地操纵太赫兹波面。这归根结底是由于在这个频域的深次波长尺度上有着局部调谐能力的缺陷。因此,开发新的方法,绕开对局部调谐的依赖是一个优先事项。

正如《先进光子学》杂志所报道的,来自上海大学和复旦大学的研究人员开发了一种通用框架和元设备,用于实现对太赫兹波阵的动态控制。他们没有对太赫兹元表面中的单个元原子进行局部控制(例如,通过PIN二极管、变容二极管等),而是通过旋转多层级联的元表面来改变光束的偏振。他们证明了以不同的速度旋转级联元设备中的不同层(每个层都表现出特定的相位轮廓)可以动态地改变整个设备的有效琼斯矩阵特性,实现对太赫兹光束的波前和偏振特性的操纵。研究人员展示了两个元装置:第一个元装置可以有效地重定向正常入射的太赫兹光束,在一个宽的实体角度范围内扫描,而第二个元装置可以动态地操纵太赫兹光束的波面和偏振。

这项工作提出了一种有吸引力的替代方法来实现对太赫兹波的低成本动态控制。研究人员希望,这项工作将激励未来在太赫兹雷达以及生物和化学传感和成像方面的应用。

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