導讀

近日，復旦大學物理系周磊/孫樹林課題組利用由高深寬比（20:1）的硅基人工原子構建的超構表面（Metasurface），在太赫茲波段實現了絕對效率高達88%的透射式自旋解耦雙功能器件，例如在不同手性太赫茲光照射下實現聚焦/偏折或雙全息成像等等不同功能。相關研究成果以“Bifunctional Manipulation of Terahertz Waves with High-Efficiency Transmissive Dielectric Metasurfaces”為題，于2022年12月在線發表在Advanced Science期刊上。

研究背景

太赫茲（Terahertz，THz）波因其在信息通訊、生物醫療和國防安全等領域具有重大應用需求而備受相關科研人員的關注。然而，傳統太赫茲器件由于自然材料在該波段的電磁響應很弱，而普遍存在體積龐大、效率低和功能單一等問題。近年來，具有強大電磁波調控能力和超薄結構特性的超構表面的出現為光學器件的小型化和功能多樣化方面帶來了新的契機。太赫茲超構表面器件研究在成為太赫茲領域研究熱點的同時，也面臨著諸多困難與挑戰：金屬歐姆損耗極大限制超構器件的絕對工作效率，現有全介質超構表面器件存在功能相對單一和效率低等問題。針對這些問題，研究團隊提出了利用具有高深比的全介質柱人工原子（例如：純硅）構建透射式太赫茲高效自旋解耦超構表面功能器件的新思路，并實驗驗證了不同圓偏振太赫茲光激勵下的多功能光場調控（見圖1）。

圖1 高效雙功能全介質超構表面的示意圖

研究亮點

復旦大學周磊教授團隊在太赫茲波段基于高深寬比（20：1）全介質人工原子構建了多功能超構器件，實驗實現了對左右旋圓偏振入射光的高效（絕對效率88%）且完全不同的波前調控（即自旋解耦）。光學器件的效率和多功能操控一直以來都是一個瓶頸問題，對于透射式器件尤為明顯。究其本質是構建超構表面的人工原子既要滿足全相位覆蓋要求，還要具備高的透射效率。團隊發現具有高深寬比的全介質人工原子可同時滿足上述條件，同時利用散射相消原理在器件反面引入減反結構可進一步提升器件的絕對效率。團隊通過將套刻技術與深硅刻蝕Bosch工藝相結合，調節刻蝕（etch）和鈍化（passivation）工藝平衡，成功制備出了具有100%偏振轉化效率的高深寬比雙面介質人工原子（如圖2所示）。

圖2 器件加工中的Bosch工藝平衡，器件SEM圖以及太赫茲光譜圖

基于上述高效透射型全介質人工原子，團隊充分利用與自旋無關的傳輸相位和與自旋相關的幾何相位這兩個獨立調控自由度，設計和實現了手性完全解鎖的高效雙功能波前調控器件。圖3 展示了高效雙功能波前調控器件所對應的透射相位分布及其對應的人工原子的幾何參數和旋轉角度分布。團隊的太赫茲實驗遠場實驗完美驗證了該超構器件對左右旋圓偏振光實現的聚焦和偏折效應，其絕對工作效率高達88%。為了進一步驗證該設計方法的普適性，團隊進一步設計并實驗表征了功能更加復雜的高效全息成像雙功能器件。在圖4中展示了該太赫茲雙功能全息超構器件的實驗和模擬結果：該器件在不同圓偏振太赫茲光的激勵下，可在器件透射端焦平面的左右兩側呈現不同的全息圖像（字母“F”和“D”）。

圖3 雙功能器件的相位分布與SEM圖以及實驗測試架構和結果

圖4 全息成像器件SEM圖、相位分布圖以及近場掃描的實驗結果與模擬結果

總結與展望

周磊教授團隊在此項工作中系統地闡述了利用全介質超構表面實現太赫茲高效自旋解耦多功能波前調控的設計方法，并基于成功制備的高深寬比高達20：1的全硅基超構表面樣品，實驗驗證了具有自旋解鎖的聚焦/偏折雙功能器件和雙功能全息超構器件。此項工作可為實現高效、小型化且多功能的透射式太赫茲器件研究提供新思路和新方法，并為未來的片上光子學研究發展提供更多的可能。

復旦大學物理學系博士后王卓與博士研究生姚堯為論文的共同第一作者。復旦大學物理學系周磊教授和復旦大學光科學與工程系孫樹林研究員為該論文共同通訊作者。該工作還得到上海大學通信學院肖詩逸教授和復旦大學物理學系何瓊教授的大力支持與幫助。該研究工作獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和上海市科委的項目的支持。

審核編輯：郭婷