Ubaidur Rahman Qureshi，Bowen Deng，Xudong Wu，Chenjie Xiong，Abdul Jalal，M. Ismail Khan，Bin Hu在Optics Express发表了一篇文章，文章提出了一种在太赫兹(THz)范围内具有不对称传输(AT)、偏振转换(PC)和圆二色性(CD)等多功能的三层手性超表面。仿真结果表明，在0.15 ~ 0.35 THz的频率范围内，该超表面能以90%以上的效率和80%以上的PC分数带宽实现AT。在0.33太赫兹时，它显示出58%的最大CD。通过实验测量，该装置在0.24 ~ 0.33太赫兹频率范围内的AT参数超过35%。这个宽频率范围代表69%的PC分数带宽，并在0.28 THz处显示出一个突出的峰值，其中传输达到0.62值。在0.24太赫兹下，该结构显示出CD，达到14%。此外，对于线偏振和圆偏振入射波，AT、PC和CD的功能在60°入射角变化范围内都是稳定的。此外，实验和测量结果表明，所提出的多层手性超材料实现了太赫兹入射波的多功能性，为推进太赫兹通信频段提供了有希望的意义。
本文要点
1
文章介绍了一种新型的三层手性太赫兹(THz)超表面，该设计能够在太赫兹频段实现不对称传输(AT)、偏振转换(PC)和圆二色性(CD)的多功能性。这种超表面由三层金属层和两层介电基底构成，通过精确设计的几何结构，实现了在0.15至0.35 THz频率范围内超过90%的AT效率和80%的PC带宽。特别是在0.33 THz频率下，展现出了高达58%的CD效果。这一设计利用了超材料的独特电磁特性，通过打破镜像对称性和旋转对称性，实现了对太赫兹波偏振态的有效调控。
2
文章不仅在理论上进行了设计和模拟，还通过实验验证了所提出的超表面结构的功能。实验结果显示，在0.24至0.33 THz的频率范围内，该超表面实现了超过35%的AT参数，并且在0.28 THz处达到了0.62的传输峰值。此外，该超表面还展现出了对入射角度变化的稳定性，即使在高达60°的入射角度下，其功能仍然保持稳定。这些实验结果证明了该超表面在太赫兹通信和传感等领域的应用潜力，尤其是在提高通信带宽和开发新型传感器方面具有重要意义。
研究背景
太赫兹(THz)科学和技术的迅速发展，为多个领域带来了革命性的应用潜力，包括无损检测、安全筛查、通信和传感等。这些应用对高效的太赫兹光源、传感器和光学元件提出了迫切需求，特别是能够灵活操控太赫兹波前，包括偏振调制的元件。传统的偏振控制方法，如使用液晶、法拉第效应和双折射晶体，受到尺寸和带宽的限制。因此，研究者们开始探索人工设计的手性超表面和超材料，这些材料由金属或介电的亚波长天线组成，具有非镜像对称性，展现出了偏振转换(PC)、不对称传输(AT)和圆二色性(CD)等独特的电磁特性。
本研究提出了一种三层手性超表面，旨在太赫兹频段实现多功能的AT、PC和CD。该超表面由三层金属层和两层介电基底组成，通过精细设计的几何结构，包括顶部和底部的金属图案以及中间层的切口线共振器，实现了对太赫兹波偏振态的有效操控。研究者们通过数值模拟和实验测量，详细分析了该超表面的性能，包括其在不同频率、不同入射角度下的AT、PC和CD表现。研究结果表明，所提出的三层手性超表面在0.15至0.35 THz的频率范围内，能够实现超过90%的AT效率和80%的PC带宽。特别地，在0.33 THz频率下，该超表面展现了高达58%的CD效果。实验测量进一步证实了该超表面在0.24至0.33 THz频率范围内实现了超过35%的AT参数，并且在0.28 THz处达到了0.62的传输峰值。此外，该超表面对于入射角度的变化表现出了良好的稳定性，即使在高达60°的入射角度下，其功能仍然保持稳定。这些成果为太赫兹通信带的发展和新兴通信技术的增强提供了重要的科学依据和技术支持。
研究内容
图 1. 三层手性太赫兹超表面的示意图。(a) 手性结构的AT、PC和CD效果；(b) 单元格的3D视图；(c) 前层、中间层和后层的2D图示。
图 2. 三层超表面对(a) 前向传播的线性偏振波和(b) 反向传播的线性偏振波的模拟透射光谱。(c) 圆偏振波的AT特性和(d) CD特性。(e) 前向传播线性偏振波的PCR和(f) 反向传播线性偏振波的PCR。
图 3. (a) 不同入射角度下的偏振转换系数。(b) 不同入射角度下的CD光谱。(c) 倾斜入射对AT影响的示意图。(d) 多层结构内部多重反射的示意图，类似于Fabry-Perot腔。
图 4. (a) 超表面的制造过程。(b) 制备后的所提出的设计的显微镜图像。(c) 四层对齐。
图 5. (a) 系统的光路图。(b) 太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统的实验设置。
图 6. 多层手性超表面在前向和反向传播THz波的模拟和实验透射系数。(a) 前向传播方向的交叉偏振透射，和(b) 前向传播方向的共偏振透射。(c) 反向传播方向的交叉偏振透射，和(d) 反向传播方向的共偏振透射。(e) 线性偏振波的AT特性和(f) 线性偏振波的偏振转换比率。
图 7. (a) 提出的设计在前向传播方向的CD。(b) 不同入射角度下的前向透射系数的实验结果。(c) 前向传播方向和(d) 反向传播方向中PI的切向损耗对Tyx的影响。(e) 前向传播方向和(f) 反向传播方向中层h1和h2之间的空气间隙(g)的影响。
总结与展望
本文成功地设计并验证了一种新型的三层手性太赫兹超表面，该超表面在太赫兹频段展现出了优异的不对称传输(AT)、偏振转换(PC)和圆二色性(CD)性能。通过精细的结构设计和材料选择，实现了在0.15至0.35 THz频率范围内超过90%的AT效率和80%的PC带宽，以及在0.33 THz频率下高达58%的CD效果。实验结果进一步证实了该超表面在0.24至0.33 THz频率范围内的AT参数超过35%，并且在0.28 THz处达到了0.62的传输峰值。此外，该超表面对于不同入射角度的稳定性能表明了其在实际应用中的潜力。
展望未来，这项研究不仅为太赫兹通信和传感技术的发展提供了重要的材料和技术基础，而且也为超材料和超表面在其他频段和应用领域的研究开辟了新的道路。随着制造技术的不断进步和新材料的开发，预期将有更多的创新设计和应用出现，进一步推动太赫兹科技在医疗成像、安全检测、高速通信等领域的实际应用。此外，该超表面的设计和实验方法也可能激发对其他类型的电磁波操控结构的研究，为未来的光学和光电子学技术带来新的突破。
文献详情
https://doi.org/10.1364/OE.529311
