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突破性復合超表面設計開啟太赫茲光學新紀元 研究人員開發(fā)出一種基于超表面的新方法，利用表面波生成太赫茲復雜矢量光場。這一進展使緊湊型高性能光學設備得以應用于通信、傳感和 AR/VR 領域。 《光電科學》近期刊發(fā)論文，探討了在表面波驅動下通過超表面生成太赫茲復雜矢量光場的技術。 隨著信息通信技術發(fā)展（特別是5G/6G網絡、人工智能和物聯(lián)網的興起），市場對具有高帶寬、快速響應、低功耗和小型化特征的片上光學調控器件需求激增。然而傳統(tǒng)光學器件往往面臨體積大、效率低、調控自由度有限等瓶頸。 超表面作為新型光學器件，通過亞波長人工結構單元的精確排布，可實現(xiàn)異常反射/折射、平面棱鏡、全息成像、表面波激發(fā)等特殊光學效應。近期研究探索將片上表面波作為激勵源，利用超表面實現(xiàn)表面波的高效自由空間解耦與波前調控，為片上光學應用開辟新路徑。 突破性復合超表面設計 該論文提出一種通用方法，可設計超緊湊片上光學器件，在表面波激勵下高效生成預設的復雜波前矢量光束（VOFs），并在太赫茲頻段完成實驗驗證。  圖1.超表面器件工作原理示意圖。 對于具有線性幾何相位的反射型超表面器件，當垂直方向線偏振光入射時，散射場將同時包含與自旋相關和自旋無關的異常/正常模式（圖1a）。隨著入射角增大，異常模式與正常模式經超表面調控后反射角均逐漸增大。當入射波為片上表面波時，"存活"于自由空間的模式為特定圓偏振光，該模式的輻射角度和偏振態(tài)均可通過精確設計超表面相位梯度實現(xiàn)任意調控（圖1b,c）。 復合超表面構建復雜矢量光場 基于此，研究人員進一步提出設計復合超表面輻射復雜矢量光場的構想。將傳統(tǒng)單一"人工原子"擴展為2×2"人工分子"，其中不同亞單元（藍色/紫色）具有獨立旋轉角度與方向。在表面波激勵下，這些亞單元可同時輻射左旋圓偏振(LCP)與右旋圓偏振(RCP)分量，通過干涉效應控制局部相位與偏振分量，在宏觀尺度構建矢量光束的特定波前與偏振分布（圖1d）。  圖2.徑向偏振貝塞爾光束實驗表征。 為實現(xiàn)該構想，研究人員開發(fā)了通用設計方法：將目標矢量光場分解為不同波矢與圓偏振基矢的疊加，通過目標總場與人工原子的映射關系確定復合超表面設計參數(shù)，最終完成原型器件設計（圖2a）。例如研發(fā)的THz器件可在表面波激勵下生成徑向偏振貝塞爾光束，通過全波仿真與近場掃描在不同平面與偏振方向展示光場形態(tài)，結果顯示高度吻合，驗證了器件的優(yōu)異性能（圖2b-g）。該研究為實現(xiàn)高度集成的片上太赫茲器件提供了新思路，在生物傳感、高速通信、激光雷達、AR/VR等領域具有廣闊應用前景。 相關鏈接：https://doi.org/10.29026/oes.2025.240024 |
