基于超表面的太赫兹波调控研究

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太赫兹波(THz)是频率介于0.110 THz范围内的电磁波,其在光谱中介于微波与红外之间,具有许多特殊性质,在成像、无线通讯等方面受到广泛关注。但目前太赫兹频段的小型化调控器件还是较为缺乏,这极大地影响了对太赫兹波的进一步探索。近年来,由一系列亚波长人工结构组成的超表面,由于其对电磁波波前的局部优越调控能力,引起了光学和红外领域的广泛研究。这一优势也可以引入到太赫兹频域范围内去解决空间调制器件不足的问题。此外,它是一种新颖的调控方式,已经引起了物理学和工程界的极大关注,也可以作为一种取代传统大体积光学器件或提供新颖功能的薄光学器件。首先,在实际应用中,不改变现有器件物体几何形状的情况下对其性能进行调制也是一个迫切的需求。这里,一种柔性超表面集成于圆柱透镜曲面一侧,形成一个共形偏振分复用超表面。这种可穿戴共形超表面与透镜结合,能够使垂直偏振的太赫兹波实现轴上聚焦、离轴聚焦、无衍射贝塞尔波束和相位全息等调控功能,而与入射波同偏振的水平方向偏振太赫兹波通过柱透镜聚焦成一条线。此外,这种可穿戴共形超表面可以通过成本低廉的标准柔性印制电路技术轻松地制备成两层甚至多层,这对于传统共形超表面是一个较大的加工挑战。更进一步来说,它很容易实现有、无超表面这两种工作模式的切换,不同的超表面也可以于相同的传统器件进行集成实现各种波前调制。这些优势使得柔性共形超表面在可穿戴功能器件和紧凑型功能器件中具有广阔的应用前景。此外,我们提出了一种基于熔融石英共振的全电介质超表面,该超表面由放置在正交网状结构中心的矩形柱和十字形结构共同组成基本单元,实现电磁波波前调控。作为此方法的证明,基于上述基本共振单元,我们在0.14 THz频率下设计了多个透射型空间调制器件。模拟仿真轴上聚焦和离轴聚焦的效率分别为60%和62%,无衍射贝塞尔波束的效率为45%。进一步地,基于菲涅耳衍射的Gerchberg-Saxton(G-S)算法设计了多焦点透镜。在太赫兹波一维情况下,实现焦距为5 cm时聚焦为双个和三个焦点,总调制效率分别为49%和55%。在快速发展的太赫兹应用中,这种调控任意波前的新方法也可以用于信息存储和其他相位相关的技术领域。最后,我们提出了一种入射电磁波增透方法,用于提高太赫兹波透射率,相比于其他增透方法,该增透方式制作简单,灵活选择光栅参数就可实现。
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