超構表面（metasurface）是一種新興的二維超構材料（metamaterial），其由人工超構原子組成，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。通過精心設計相位分布，研究人員已經開發出超構表面的許多應用。

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諧電光特性，石墨烯引起了人們的廣泛關注。憑借其新穎的光學特性，石墨烯基的各向異性結構被廣泛用于控制電磁波的偏振狀態——偏振是電磁波的一個重要特性。石墨烯在新興領域發展了廣泛的應用，例如全息成像、吸收器和偏振器等。近年來，由于石墨烯的電導率可隨費米能級調諧，因而在動態超構表面上有著廣泛的應用。

據麥姆斯咨詢報道，近日，廈門大學電子科學與技術學院宋爭勇副教授課題組在Optics Express發表了以“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、人工智能電磁超構表面/超構材料、微波毫米波、微納光子學、等離激元光子學和太赫茲技術的研究工作。

四個石墨烯基超構原子的3D示意圖

這項研究工作中，設計了四個石墨烯基超構原子，通過改變石墨烯的費米能級來調節太赫茲波的偏振態。當費米能級為0.01eV時，四個超構原子在1.18THz處可發射出相位差為90°的交叉偏振波，相對應的偏振轉換率可達到約90%。當費米能級調整到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原子，設計了梯度超構表面、超構透鏡和渦旋光束發生器三種動態超構表面來控制反射光束的波前。本研究所設計的超構表面將波前控制與偏振操縱成功結合，大幅提升了控制電磁波的能力。該設計可能有許多潛在應用，如太赫茲開關、成像和偏振分束器。

梯度超構表面的3D示意圖及其特性變化

超構透鏡的3D示意圖及其特性變化

渦旋光束發生器的3D示意圖及其相位分布卷積運算過程

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

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

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

審核編輯 ：李倩