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(fā)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(tài)——偏振是電磁波的一個重要特性。石墨烯在新興領域發(fā)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(tài)超構表面上有著廣泛的應用。

據(jù)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(fā)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(jié)太赫茲波的偏振態(tài)。當費米能級為0.01eV時，四個超構原子在1.18THz處可發(fā)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(fā)生器三種動態(tài)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(fā)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(tài)超構表面：梯度超構表面、超構透鏡和渦旋光束發(fā)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(guī)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(tài)動態(tài)聚焦和散焦光束的超構透鏡。最后，渦旋光束發(fā)生器可通過調節(jié)費米能級，實現(xiàn)切換不同偏振狀態(tài)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