在太赫兹频率下，由双折射材料制成的传统波片存在带宽有限、损耗大、效率低、成本高、制作复杂等缺点。在过去的十年中，宽带太赫兹偏振态调制成为人们关注的焦点。与传统材料相比，由周期性金属或介电元原子组成的超表面因其卓越的电磁特性而备受关注。然而，目前已报道的太赫兹偏振变换器超材料大多结构复杂，对设计方法和制造精度要求高。因此，需要一种结构简单易于加工的器件，能够同时实现更宽的转换带宽和更高的转换效率，从而便于各种偏振操纵装置的发展。
天津大学团队提出了一种基于等效介质理论设计亚波长光栅结构几何参数的新方法，设计并优化了一种硅基的宽带偏振转换器件。针对带宽不够宽、效率不够高等问题，设计不同的构型、使用折射率更高的全介质材料（砷化镓、锗）来提高器件的性能。同时，引入光栅特性比α调节加工难度和器件性能之间的平衡，提高了设计的自由度，降低了设计和加工的难度。另外，采用一种“Transformer”的深度学习网络解决了一般卷积神经网络和人工神经网络有损不收敛的问题，有效地降低了偏振转换器件设计的成本。下面对于研究的创新点作以下列举：
1、提出了一种针对不同材料实现宽带偏振转换的指导方法，通过计算TE波方向和TM波方向上等效折射率的差值，得到一定波长范围内波长-等效折射率差值的近似线性关系(Si:65.0-130.4 μm；GaAs:60.0-166.7 μm；Ge:66.7-361.4 μm)，合理的设计光栅尺寸可以使得相位差稳定在宽带范围内，对亚波长宽带偏振转换器件的工程应用设计具有指导意义。
图1 基于硅(a)、砷化镓(b)和锗(c)的TE和TM波等效折射率之差。
2、提出了一种全硅光栅的创新设计策略，并通过实验证明了所设计的全硅光栅结构能够在太赫兹波段实现超宽带交叉线性(0.98-2.70 THz)和线性到圆的偏振转换(0.90-2.15 THz)。与各向异性晶体相比，所制备的全介质超材料结构具有结构简单、成本低、尺寸小等显著优点。
图2 (a)原理图。(b)半波片(HWP)显微镜图像。(c)实验测量的透射率。(d) PCR。(e)相位差光谱。(f)模拟透射率。(g) PCR。(h)相位差光谱。
图3 (a)原理图。(b)四分之一波片(QWP)显微镜图像。(c)实验测量的透射率。(d) 椭圆率。(e)相位差光谱。(f)模拟透射率。(g) PCR。(h)相位差光谱。
3、介绍了一种简易的全硅极化变换器，专门设计用于在太赫兹电磁频谱范围内工作。仿真结果表明，在1.00 ~ 2.32 THz的宽频率范围内，交叉线性波的平均转换效率超过80%，最高转换效率达到99.97%。此外，所提出的结构促进了0.85 THz下椭圆率为1的线性到圆偏振转换。
图4 (a) 最佳参数下十字形微观结构的透光率和(b) PCR。黄色区域表示PCR在该频率范围内超过80%。(c) 器件作为四分之一波片在不同入射极化波下的性能。黄色区域表示χ≥80%。
4、提出了一种基于等效介质理论设计亚波长光栅结构几何参数的新方法。通过引入光栅特性比α，提高了设计的灵活性和可加工性，并利用更高折射率的材料进一步提高了有效带宽。估计四分之一波片的最佳有效带宽可达~7.42 THz，其中1.33-6.15 THz范围内信噪比低于3dB。
图5 基于Si和Ge的QWP仿真结果。(a)基于Si的QWP在x和y方向上的透射率、椭圆率、相位差的模拟。(b)基于Ge的QWP在x、y方向上的透射率、椭圆率、相位差模拟。(c)基于Si的透射波轴比。(d)基于Ge的透射波轴比。
5、提出了一种基于Transformer模型的太赫兹偏振变换器反设计方法;该方法可以根据目标光谱精确地设计相应的超表面。该模型还包括一个能准确、直观地预测元原子光谱的正演网络，具有较高的模拟速度和较低的计算成本。利用该方法，在0.5 ~ 4太赫兹的目标频率范围内，在约0.006 s内设计了两个超宽带极化转换器件，在1.23 ~ 3.19太赫兹和1.18 ~ 3.24太赫兹范围内，极化转换率大于90%。平均交叉极化比大于50%。
电磁波偏振态的宽带高效转换是电磁波操控的重要课题。超构表面由于其界面上各向异性的相位突变，成为实现偏振转换的强大工具。作者团队设计的偏振转换器件实现了超宽带的高效转换，所提出的亚波长光栅的设计方法以其较高的设计自由度和易于加工的特点，为实现轻量化、集成化和量产化的光学系统提供了有效的技术途径。同时，作者团队以人工智能技术赋能偏振光子学，为冗长繁杂的设计过程寻求了一个强有力的助手，推动了智能光学器件的发展。
论文一：
（https://doi.org/10.1002/adpr.202200033）
题目：Ultra-Broadband Terahertz Polarization Conversion Enabled by All-Dielectric Grating Structures
论文二：
（https://doi.org/10.1007/s12200-023-00098-9）
题目：An all-silicon design of a high-efficiency broadband transmissive terahertz polarization convertor
论文三：
（https://doi.org/10.1109/JLT.2024.3432747）
题目：Extend the bandwidth of terahertz polarization convertors further via all-dielectric grating structures
论文四：
（https://doi.org/10.1016/j.optcom.2024.130434）
题目：Designing ultra-broadband terahertz polarization converters based on the transformer model
专利一：（CN 117348140 A）；
题目：基于全介质光栅的超宽带太赫兹偏振转换器的设计方法
第一作者：祝锐，邹蝶，邢效华，毛炳轩，常洪豪（西安交大）等同学
指导教师：吴亮，姚建铨，毕海霞（西安交大），丁欣，张贵忠等老师
论文合作者：付熠、张曦、张乾坤、刘寅等同学
致谢：论文工作过程中受到了W. Zhang教授、王志勇教授、韩家广教授等人的帮助。
