導(dǎo)讀

近日，復(fù)旦大學(xué)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(gòu)建的超構(gòu)表面（Metasurface），在太赫茲波段實現(xiàn)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(xiàn)聚焦/偏折或雙全息成像等等不同功能。相關(guān)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(fā)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(yī)療和國防安全等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用需求而備受相關(guān)科研人員的關(guān)注。然而，傳統(tǒng)太赫茲器件由于自然材料在該波段的電磁響應(yīng)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(diào)控能力和超薄結(jié)構(gòu)特性的超構(gòu)表面的出現(xiàn)為光學(xué)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(gòu)表面器件研究在成為太赫茲領(lǐng)域研究熱點的同時，也面臨著諸多困難與挑戰(zhàn)：金屬歐姆損耗極大限制超構(gòu)器件的絕對工作效率，現(xiàn)有全介質(zhì)超構(gòu)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(zhì)柱人工原子（例如：純硅）構(gòu)建透射式太赫茲高效自旋解耦超構(gòu)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(diào)控（見圖1）。

圖1 高效雙功能全介質(zhì)超構(gòu)表面的示意圖

研究亮點

復(fù)旦大學(xué)周磊教授團隊在太赫茲波段基于高深寬比（20：1）全介質(zhì)人工原子構(gòu)建了多功能超構(gòu)器件，實驗實現(xiàn)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(diào)控（即自旋解耦）。光學(xué)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(zhì)是構(gòu)建超構(gòu)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(fā)現(xiàn)具有高深寬比的全介質(zhì)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(jié)構(gòu)可進一步提升器件的絕對效率。團隊通過將套刻技術(shù)與深硅刻蝕Bosch工藝相結(jié)合，調(diào)節(jié)刻蝕（etch）和鈍化（passivation）工藝平衡，成功制備出了具有100%偏振轉(zhuǎn)化效率的高深寬比雙面介質(zhì)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(zhì)人工原子，團隊充分利用與自旋無關(guān)的傳輸相位和與自旋相關(guān)的幾何相位這兩個獨立調(diào)控自由度，設(shè)計和實現(xiàn)了手性完全解鎖的高效雙功能波前調(diào)控器件。圖3 展示了高效雙功能波前調(diào)控器件所對應(yīng)的透射相位分布及其對應(yīng)的人工原子的幾何參數(shù)和旋轉(zhuǎn)角度分布。團隊的太赫茲實驗遠(yuǎn)場實驗完美驗證了該超構(gòu)器件對左右旋圓偏振光實現(xiàn)的聚焦和偏折效應(yīng)，其絕對工作效率高達88%。為了進一步驗證該設(shè)計方法的普適性，團隊進一步設(shè)計并實驗表征了功能更加復(fù)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(gòu)器件的實驗和模擬結(jié)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(cè)呈現(xiàn)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(gòu)和結(jié)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(jié)果與模擬結(jié)果

總結(jié)與展望

周磊教授團隊在此項工作中系統(tǒng)地闡述了利用全介質(zhì)超構(gòu)表面實現(xiàn)太赫茲高效自旋解耦多功能波前調(diào)控的設(shè)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(gòu)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(gòu)器件。此項工作可為實現(xiàn)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(xué)研究發(fā)展提供更多的可能。

復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)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(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系周磊教授和復(fù)旦大學(xué)光科學(xué)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(xué)通信學(xué)院肖詩逸教授和復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)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(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和上海市科委的項目的支持。

審核編輯：郭婷