透反双模态极化转换与超宽带吸收功能可调控太赫兹超表面理论设计

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王丹, 李九生, 熊日辉. 透反双模态极化转换与超宽带吸收功能可调控太赫兹超表面理论设计[J]. 物理学报, 2025, 74(13): 138701-1. doi: 10.7498/aps.74.20241762
引用本文: 王丹, 李九生, 熊日辉. 透反双模态极化转换与超宽带吸收功能可调控太赫兹超表面理论设计[J]. 物理学报, 2025, 74(13): 138701-1. doi: 10.7498/aps.74.20241762
Dan WANG, Jiusheng LI, Rihui XIONG. Theoretical design of tunable terahertz metasurfaces with dual-mode polarization conversion and ultra-broadband absorption functionality[J]. Acta Physica Sinica, 2025, 74(13): 138701-1. doi: 10.7498/aps.74.20241762
Citation: Dan WANG, Jiusheng LI, Rihui XIONG. Theoretical design of tunable terahertz metasurfaces with dual-mode polarization conversion and ultra-broadband absorption functionality[J]. Acta Physica Sinica, 2025, 74(13): 138701-1. doi: 10.7498/aps.74.20241762

透反双模态极化转换与超宽带吸收功能可调控太赫兹超表面理论设计

    作者简介: 王丹. E-mail: wdan09@foxmail.com .
    通讯作者: E-mail: lijsh2008@126.com.; 
  • 中图分类号: 87.50.U-, 74.25.Uv, 03.65.Vf

Theoretical design of tunable terahertz metasurfaces with dual-mode polarization conversion and ultra-broadband absorption functionality

    Corresponding author: E-mail: lijsh2008@126.com.; 
  • MSC: 87.50.U-, 74.25.Uv, 03.65.Vf

  • 摘要: 本文提出一种新型超表面结构, 通过改变工作温度能够实现透反双模态极化转换与超宽带吸收等功能切换. 当二氧化钒(VO2)为金属态且碲化锗(GeTe)为晶态时, 太赫兹波沿–z方向入射, 该超表面在7.96—17.76 THz频带表现为超宽带吸收器, 吸收率大于90%. 太赫兹波沿+z方向入射, 该超表面在2.04—4.44 THz频带表现为对x-/y-偏振波的反射极化转换, 极化转换率大于0.9. 当VO2为介质态且GeTe为非晶态时, 该超表面在0.65—5.07 THz频带表现为对x偏振波的透射极化转换, 极化转换率大于0.9. 研究结果表明, 该超表面结构对太赫兹波操控具有双向、可切换和多功能特点, 在太赫兹波传感、成像和通信领域具有广阔的应用前景.
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  • 图 1  太赫兹超表面阵列示意和单元结构图 (a)超表面结构示意图; (b)单元结构; (c)顶层图案俯视图; (d)底层图案俯视图

    Figure 1.  Schematic of the array and cell structure of terahertz metasurface: (a) Schematic of the terahertz metasurface; (b) cell structure; (c) top view; (d) bottom view.

    图 2  太赫兹波沿–z 方向入射时超表面电磁响应曲线 (a)吸收、反射和透射曲线; (b)等效阻抗实部和虚部曲线

    Figure 2.  Electromagnetic response curves of the metasurface for terahertz waves incident along the –z direction: (a) Absorption, reflection, and transmission curves; (b) equivalent impedance real and imaginary curves.

    图 3  太赫兹波沿–z方向入射时不同组合图案对应的太赫兹波吸收曲线

    Figure 3.  Terahertz wave absorption curves corresponding to different combinations of patterns when terahertz waves are incident along the –z direction.

    图 4  太赫兹波沿–z方向入射吸收器谐振频点处的电磁场分布 (a)—(c) TE模式和(d)—(f) TM模式下, 谐振频点处的电场分布俯视图; (g)—(i) TE模式下, 谐振频点处的磁场分布侧视图

    Figure 4.  Electromagnetic field distribution at the resonant frequency points of the absorber for a terahertz wave incident along the –z direction. Top view of the electric field distribution at the resonant frequency point in (a)–(c) TE mode and (d)–(f) TM mode; (g)–(i) side view of the magnetic field distribution at the resonant frequency point in TE mode.

    图 5  太赫兹波沿–z方向入射时入射角与极化角对吸收性能的影响 (a) TE模式和(b) TM模式下, 不同入射角对吸收性能的影响; (c)不同极化角对吸收性能的影响

    Figure 5.  Effect of incidence angle and polarization angle on absorption performance for terahertz waves incident along –z direction: Effect of different incidence angles on the absorption performance in (a) TE mode and (b) TM mode; (c) effect of different polarization angles on the absorption performance.

    图 6  太赫兹波沿+z方向入射下超表面的电磁响应曲线 (a)反射系数; (b)极化转换率PCR

    Figure 6.  Electromagnetic response curves of the metasurface under the incidence of terahertz waves along the +z direction: (a) Reflection coefficient; (b) polarization conversion rate PCR.

    图 7  太赫兹波沿+z方向入射下, 不同极化角对PCR影响 (a) x偏振波入射下, 不同极化角对PCR影响; (b) y偏振波入射下, 不同极化角对PCR影响

    Figure 7.  Effect of different polarization angles on PCR under the incidence of terahertz waves along the +z direction: (a) Effect of different polarization angles on PCR under x–polarized wave incidence; (b) the effect of different polarization angles on PCR under y–polarized wave incidence.

    图 8  太赫兹波沿+z方向入射下, 不同入射角对PCR影响 (a) x偏振波入射下, 不同入射角对PCR影响; (b) y偏振波入射下, 不同入射角对PCR影响

    Figure 8.  Effect of different incidence angles on PCR under the incidence of terahertz waves along the +z direction: (a) Effect of different incidence angles on PCR under x–polarized wave incidence; (b) the effect of different incidence angles on PCR under y–polarized wave incidence.

    图 9  太赫兹波沿+z方向入射下, 不同结构参数对PCRx影响 (a)两边矩形谐振器宽度w3; (b)中间条形谐振器宽度w4; (c)外环半径R1; (d)内环半径R2

    Figure 9.  Effect of different structural parameters on PCRx under the incidence of terahertz wave along +z direction: (a) Width of the rectangular resonator on both sides w3; (b) width of the strip resonator in the middle w4; (c) outer ring radius R1; (d) inner ring radius R2.

    图 10  太赫兹波沿+z方向入射下超表面的太赫兹电磁响应曲线 (a)透射系数; (b)极化转换率PCR

    Figure 10.  Electromagnetic response curves of the metasurface under the incidence of terahertz waves along the +z direction: (a) Transmission coefficient; (b) polarization conversion rate PCR.

    图 11  太赫兹波沿+z方向入射下入射角变化对极化转换率PCR影响

    Figure 11.  Effect of variation of incidence angle on polarization conversion rate PCR under terahertz wave incidence along +z direction.

    图 12  不同谐振频率下, 太赫兹波沿+z方向入射下, 顶层、中间和底层结构在谐振频点处的电流分布图 (a), (d)顶层十字架结构; (b), (e)中间光栅层; (c), (f)底层“工”形结构

    Figure 12.  Current distributions of the top, intermediate and bottom layers of the structure at the resonance frequencies under terahertz wave incidence along the +z direction, current distributions at different resonant frequencies: (a), (d) The top cross structure; (b), (e) the intermediate grating layer; (c), (f) the bottom “工” structure.

    表 1  本文提出结构与其他文献报道成果对比

    Table 1.  Comparison of the proposed structure in this paper with previously reported works.

    文献 可调材料 功能 性能 带宽
    [18] Graphene 宽带吸收和极化转换 1.74—3.52 THz: A≥90%
    1.54—2.55 THz: PCRr≥90%
    吸收1.78 THz
    反射极化转换1.01 THz
    [19] VO2和Si 宽带吸收和极化转换 0.68—1.60 THz: A≥90%
    0.82—1.60 THz: PCRr≥90%
    吸收0.92 THz
    反射极化转换0.78 THz
    [20] VO2 宽带吸收和极化转换 3.33—5.62 THz: A≥90%
    2.54—4.55 THz: PCRr≥90%
    吸收2.29 THz
    反射极化转换2.01 THz
    [10] VO2 宽带吸收和极化转换 1.49—3.58 THz: A≥90%
    1.1—3.2 THz: PCRr≥90%
    吸收2.09 THz
    反射极化转换2.1 THz
    本文 VO2和GeTe 宽带吸收和极化转换 7.96—17.76 THz: A≥90%
    2.04—4.44 THz: PCRr≥90%
    0.65—5.07 THz: PCRt≥90%
    吸收9.8 THz
    反射极化转换2.4 THz
    透射极化转换4.42 THz
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    [19] Zhang H, He X C, Zhang D, Zhang H F 2022 Opt. Express 30 23341 doi: 10.1364/OE.465083
    [20] Niu J H, Yao Q Y, Mo W, Li C H, Zhu A J 2023 Opt. Commun. 527 128953 doi: 10.1016/j.optcom.2022.128953
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图( 12) 表( 1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-12-24
  • 刊出日期:  2025-07-05

透反双模态极化转换与超宽带吸收功能可调控太赫兹超表面理论设计

    通讯作者: E-mail: lijsh2008@126.com.; 
    作者简介: 王丹. E-mail: wdan09@foxmail.com
  • 中国计量大学太赫兹研究所, 杭州 310018

摘要: 本文提出一种新型超表面结构, 通过改变工作温度能够实现透反双模态极化转换与超宽带吸收等功能切换. 当二氧化钒(VO2)为金属态且碲化锗(GeTe)为晶态时, 太赫兹波沿–z方向入射, 该超表面在7.96—17.76 THz频带表现为超宽带吸收器, 吸收率大于90%. 太赫兹波沿+z方向入射, 该超表面在2.04—4.44 THz频带表现为对x-/y-偏振波的反射极化转换, 极化转换率大于0.9. 当VO2为介质态且GeTe为非晶态时, 该超表面在0.65—5.07 THz频带表现为对x偏振波的透射极化转换, 极化转换率大于0.9. 研究结果表明, 该超表面结构对太赫兹波操控具有双向、可切换和多功能特点, 在太赫兹波传感、成像和通信领域具有广阔的应用前景.

English Abstract

    • 太赫兹超表面可以灵活地调节电磁波的频率、偏振、振幅和相位[1,2], 被广泛应用于各种功能器件. 具有固定谐振频率和单一功能的太赫兹超表面未能满足当前技术发展日益增长的要求. 因此, 由活性材料组成的可切换多功能太赫兹超表面引起了广泛关注. 为了实现多种功能的集成, 可调材料如石墨烯[3]、光敏硅[4]、二氧化钒(VO2)[5]和碲化锗(GeTe)[6]等被引入超表面中. 2022年, Chen等[7]提出石墨烯超表面结构, 通过控制石墨烯费米能级实现宽带与三频点吸收功能. 2023年Jiang等[8]设计了一种石墨烯和光敏硅复合超表面, 改变光敏硅电导率实现宽带吸收与透射式极化转换等功能. 2024年, Phan等[9]构建了一种水基超表面, 实现宽带吸收和反射式极化转换. 同年, Zhang等[10]利用VO2介质设计了一种具有宽带吸收和反射式极化转换功能的太赫兹超表面, 当VO2为金属态时, 在1.485—3.575 THz范围内, 该超表面的吸收率大于90%; 当VO2为介质态时, 在1.1—3.2 THz范围内, 反射式极化转换率超过90%. 上述研究成果主要关注于单向传输太赫兹波极化转换与宽带吸收功能.

      本文提出一种VO2和GeTe复合超表面, 通过改变工作温度使VO2和GeTe的相态发生变化, 实现超宽带吸收和透反双模态的双偏振转换功能. 当VO2为金属态且GeTe为晶态时, 太赫兹波沿–z方向入射, 该超表面可作为宽带吸收器, 在7.96—17.76 THz频段范围内吸收率大于90%, 吸收带宽达到9.8 THz; 太赫兹波沿+z方向入射, 该超表面表现为反射型极化转换器, 在2.04—4.44 THz频段内, xy偏振波的极化转换率超过0.9, 带宽为2.4 THz. 当VO2为介质态且GeTe为非晶态时, 该超表面可作为透射型极化转换器, 在0.65—5.07 THz频段内, 极化转换率PCRx大于0.9. 在不同电磁波入射角下, 该超表面也可以保持良好的吸收和极化转换稳定性, 可在太赫兹光开关、电磁隐身技术、调制器和通信系统等方面具有广泛的应用前景.

    • 图1为VO2/GeTe复合超表面结构示意图, 从上到下依次为VO2/Gold复合图案层-PCS(光子晶体)介质层-光栅层-二氧化硅(SiO2)介质层-GeTe/Gold复合图案层, 中间光栅层由GeTe和Gold间隔组成. GeTe为非晶态时, 介电常数和电导率分别设置为63 S/m和10 S/m, GeTe为晶态时, 介电常数和电导率分别设置1 S/m和4.1×105 S/m[11]. 仿真优化计算得到超表面结构参数为: l 1 = 25 μm, l 2 = 17 μm, l 3 = 11.5 μm, w1 = 2.5 μm, w2 = 0.2 μm, w3 = 3 μm, w4 = 18 μm, R1 = 13 μm, R2 = 9 μm, 金电导率为4.561×107 S/m, VO2/Gold复合图案层厚度为0.1 μm, 中间光栅层厚度和底部GeTe/Gold复合图案层厚度均为0.2 μm, PCS介质厚度为5.2 μm, 介电常数为1.56[12], SiO2介质层厚度为10 μm, 介电常数为3.75, 损耗正切值为0.0004 [13]. VO2在太赫兹频段内的相对介电常数可以通过Drude模型[14]来表示:

      式中, 高频极限介电常数ε = 12, 碰撞频率γ = 5.75×1013 rad/s, ωp(σ)是依赖于电导率σ的等离子体频率, $ \omega _{\text{p}}^{2}(\sigma ) = \dfrac{\sigma }{{{\sigma _0}}}\omega _{\text{p}}^{2}({\sigma _0}) $, σ0 = 3×105 S/m, ωp(σ0) = 1.45×1015 rad/s. 当σ = 20 S/m时, VO2为介质态; 当σ = 2×105 S/m时, VO2为金属态.

    • 当VO2为金属态(σVO2 = 2×105 S/m)且GeTe为晶态(σGeTe = 4.1×105 S/m), 太赫兹波沿–z方向入射, 中间光栅层均为金属, 与上面的PCS介质层和VO2/Gold复合图案层一起形成太赫兹波吸收器. 超表面的吸收率可表示为: A = 1 – RT, 式中, R = |S11|2; T = |S21|2, 其中S11S21分别为反射系数和透射系数. 当太赫兹波透射率为T = 0时, 吸收率的表达式可以简化为: A = 1 – R. 根据阻抗匹配理论超表面结构的等效阻抗可以表示为[15]

      计算得到该超表面的太赫兹波吸收响应曲线与 阻抗特性如图2所示. 图2(a)中的实线和虚线分别代表吸收器在x-/y-偏振波入射下的吸收曲线, 可以看到在7.96—17.76 THz频带范围内, 该超表面对x-/y-偏振波的透射均为0, 而对太赫兹波的反射小于0.1, 从而在该频段内超表面对太赫兹波的吸收大于0.9, 吸收带宽可达到9.8 THz, 相对带宽为76.2%. 超表面结构对这两种偏振态太赫兹波的吸收效果完全相同, 表明该结构具有极化不敏感特性. 从图2(b)可看出, 在7.96—17.76 THz范围内, 阻抗实部接近1, 虚部接近0, 表明该吸收器的阻抗与自由空间的阻抗相匹配, 并且在该频段范围内, 该超表面吸收器对入射电磁波的反射接近于零, 实现近乎完美的吸收.

      为了探究超表面结构各个组成部分对太赫兹波吸收性能影响, 分别对四角、四边以及十字架等各种组合图案的太赫兹波吸收特性进行仿真, 结果见图3. 在5.28—8.55 THz和13.97—16.15 THz范围内, 图中蓝色曲线(四角图案)的吸收率较高; 而在8.55—13.97 THz范围内, 图中红色曲线(四边图案)的吸收率较高, 单独使用这两个结构都无法满足超宽带和高吸收率要求, 如果对这两个图案进行组合(绿色曲线)时, 从绿色曲线可以看出该组合结构表现出对太赫兹波超宽带吸收, 但吸收效率偏低. 在组合结构的中间增加十字架结构, 通过共振效应来提高吸收效率. 从黑色曲线可以看出, 吸收率在90%以上的带宽达到了9.8 THz, 对应的相对带宽达到了76.2%. 同时, 可以看到在10.08, 14.61和16.70 THz频率处有3个吸收峰, 它们的吸收率分别为95.95%, 98.78%和99.34%.

      图4为本文设计的新型超表面在TE和TM模式下不同谐振频点的电磁场能量分布. 图4(a)(c)为TE模式下在频率10.08, 14.61和16.70 THz处超表面结构的电场分布俯视图. 从图4可以看出, 在10.08 THz频点处, 电场主要集中在上下边矩形谐振器的内侧以及四角谐振器内侧, 还有少部分能量分布在中间十字架谐振器上. 这意味着第1个谐振频点是由上下边矩形谐振器、四角谐振器以及中间十字架谐振器之间的相互作用引起. 在14.61 THz频点处, 超表面结构在四角谐振器内侧表现出较强的电场, 少部分能量分布在上下边矩形谐振器内侧, 从而产生较强的太赫兹波吸收, 表明该谐振频点主要是由四角谐振器内侧4个角激发的电偶极子共振引起. 在16.70 THz频点处, 电场主要集中在各个谐振器的边缘, 这主要是由于两个相邻单元之间和各个谐振器之间耦合效应引起. 图4(d)(f)为吸收器在10.08, 14.61和16.70 THz频点处TM模式的电场分布图, 与TE模式下的电场分布相似, 只是旋转了90°. 图4(g)(i)表示TE模式下10.08, 14.61和16.70 THz处超表面结构的磁场分布侧视图. 10.08 THz处的磁场主要分布在PCS介质中, 由局域表面等离子体共振引起. 14.61 THz和16.70 THz频点处大量磁场存在顶层图案和PCS介质之间以及光栅层和PCS介质层之间, 由传播表面等离子体共振引起. 结果表明, 入射的太赫兹波激发谐振层的电偶极子共振和表面等离子体共振(局域表面等离子体共振和传播表面等离子体共振), 并以欧姆损耗的形式转化为热能, 从而增强了吸收器内部的吸收, 使其成为完美的宽带吸收器.

      太赫兹波沿–z方向入射, 所设计超表面结构对太赫兹波吸收随工作频率和入射角变化关系如图5(a), (b)所示. 当x偏振波入射时, 0°—40°入射角范围内该超表面具有相对稳定的吸收率和吸收带宽, 吸收率保持大于80%. 随着入射角的增大, 工作带宽逐渐变宽并向高频移动, 但吸收峰值逐渐降低. 这是由于当入射角增至一定值时, 沿x轴方向的电磁场分量逐渐减弱, 最后不再引起电偶极子共振和表面等离子体共振所造成的. 当y偏振波入射角从0°增至60°时, 超表面仍具有较稳定的吸收性能, 在7.96—17.76 THz范围内吸收性能大于 80%. 图5(c)x偏振波吸收率随太赫兹频率和极化角变化关系, 在极化角0°—90°变化时该超表面结构对太赫兹波的吸收保持不变. 这表明所设计超表面具有较宽的入射角特性和极化不敏感特性.

    • 当VO2为金属态(σVO2 = 2×105 S/m)且GeTe为晶态(σGeTe = 4.1×105 S/m), 中间光栅层均为金属. 太赫兹波沿+z方向入射, 电磁波穿过 底部的GeTe/Gold复合图案层和SiO2介质层, 到达中间光栅层并被反射回来, 转化为另一模式极 化波. 因此, 该超表面可实现线-线(LP-LP)反射极化转换功能. 通常反射型LP-LP转换效率用极化转换率(PCR)表示为[16]

      式中, rxxryy为共极化反射系数, rxyryx为交叉极化反射系数.

      图6(a)表示太赫兹波沿+z方向入射到超表面结构的交叉极化反射曲线和共极化反射曲线. 从图6可以看出, 在2.04—4.44 THz频段内, 交叉极化反射系数(ryxrxy)的幅值大于0.8, 共极化反射系数(rxxryy)小于0.3. 计算得到极化转换率PCR如图6(b)所示. 可见, 在2.04—4.44 THz频段内, xy偏振波入射下该结构的极化转换率PCRx和PCRy大于0.9, 相对带宽为74.1%. 其中, 在频点2.20 THz和3.35 THz, PCRx高达1; 在2.16 THz和3.35 THz处, PCRy可达到1. 结果表明, 该超表面实现了x偏振波和y偏振波的高效极化转换调控.

      研究太赫兹波极化角对极化转换率PCR影响如图7所示, 可以看出x(y)偏振波极化角从0°变化到90°时极化转换率PCRx (PCRy)的变化. 当入射x(y)偏振波的极化角从0°增至90°时, 太赫兹波的极化特性由x(y)偏振变为y(x)偏振. 由于设计的超表面对称特性, 该结构对具有x偏振和y偏振的入射太赫兹波具有相同的响应. 图8表示太赫兹波入射角对极化转换率PCR影响. 从图8(a)可以看到, 在2.04—4.44 THz频段内, x偏振波入射角从0°增至45°时, PCRx值大于80%, 当入射角增至60°, PCRx值逐渐降低, 但在频点2.26 THz和4.26 THz处PCRx仍然大于90%. 图8(b)表示在2.04—4.44 THz范围内, y偏振波入射角在0°—50°范围内, 极化转换率PCRy仍大于80%, 甚至在频点2.23 THz处, PCRy接近于1. 结果表明所设计超表面结构对入射角不敏感, 具有良好的宽入射角特性.

      x偏振波入射为例, 研究超表面结构参数对极化转换率PCRx影响, 选取超表面结构底层图案中的矩形谐振器宽度w3, w4和圆环外内环半径R1, R2四个参数进行讨论. 图9(a)表示随着w3的增大, 低频段内PCRx值逐渐变高, 而相对较高频段内PCRx值逐渐变低, 当w3 = 3 μm时, PCRx在整个工作频段内都大于90%. 当w4从1 μm增至5 μm, 工作带宽向高频段展宽, PCRx值先升高后降低(见图9(b)). 图9(c)表示外环半径R1从10 μm增至14 μm时, PCRx值逐渐升高, 并且工作带宽向低频段展宽, 要保证性能和工作带宽最优, 选取R1为13 μm最佳. 从图9(d)可以看出, 随着内环半径R2从7 μm增至11 μm, PCRx值几乎不受影响, 工作带宽也不变. 最终优化后选取超表面参数: w3 = 5 μm, w4 = 3 μm, R1 = 13 μm, R2 = 9 μm.

    • 当VO2为介质态(σVO2 = 20 S/m)且GeTe为非晶态(σGeTe = 10 S/m), 中间层为金属光栅. 太赫兹波沿+z方向入射, 电磁波穿过底部的GeTe/Gold复合图案层和SiO2介质层, y偏振波被中间光栅层滤除, 只有x偏振波通过并转换为y偏振波. 因此, 该超表面可实现线-线(LP-LP)透射极化转换功能. 通常透射型LP-LP转换效率用极化转换率(PCR)表示为[17]

      式中, txxtyy为共极化透射系数, txytyx为交叉极化透射系数.

      图10为太赫兹波沿+z方向入射下该超表面结构的交叉极化和共极化透射系数与极化转化率曲线. 可以看出, 在2.19—4.60 THz范围内, 交叉极化透射系数tyx大于0.6, 则共极化透射系数txx小于0.1, 可实现x偏振波到y偏振波的转换; 而在相同频段内, tyy值较高, 则txy小于0.1, 不能实现y偏振波的转换, 如图10(a)所示. 计算得出x/y偏振波的极化转换率PCR见图10(b). 在0.65—5.07 THz频段内, 极化转换率PCRx大于0.9, 则在2.05—4.90 THz范围内PCRx近似为1. 而在相同频段内PCRy近似为0. 结果表明该超表面x偏振波可实现透射模态极化转换. 太赫兹波沿+z方向入射时, PCR随入射角0°—85°变化关系如图11所示. 从图11可以看到, 当入射角从0°增至70°时, 在0.65—5.07 THz范围内PCR值大于90%, 这表明所设计结构具有较宽的入射角特性.

      图12为3.08 THz和4.84 THz两个谐振频点处超表面顶层结构、中间光栅层以及底层结构的电流分布图. 从图12(a)(c)可以看出在3.08 THz处超表面的顶层结构表面电流主要集中在十字架中间, 正斜率条形结构上的表面电流可以分解为–x和–y两个方向的电流, 则负斜率条形结构上的表面电流分解为+x和–y两个方向的电流, 此时, x轴上的电流方向相反, 形成磁偶极子, 产生与入射电场方向平行的磁场, y轴上的电流方向相同, 形成电偶极子, 引起了电共振. 超表面的中间光栅层电流均沿+y方向分布, 此时, 电流方向相同, 形成电偶极子, 产生电共振. 超表面底层“工”形结构电流主要分布在中间条形谐振器上, 可分解为–x和+y两个方向的电流, 与顶层结构和中间光栅层电流方向形成同向平行和反向平行, 分别产生电谐振和磁谐振. 因此, 这两者相互作用共同实现透射型极化转换. 同理, 从图12(d)(f)可以看出在4.84 THz频点处, 超表面3层金属结构表面电流方向沿x轴和y轴分解之后同样可以互相形成同向平行和反向平行, 引起电共振和磁共振, 它们的共同作用实现对x偏振波的极化转换.

      最后, 将之前报道的基于可调材料的宽带吸收与极化转换超表面结构设计[10,18-20]与本文结构进行比较, 如表1所示. 其中, 大多宽带吸收超表面结构工作频段窄且不能兼具透射结合式极化转换功能, 本文所设计超表面能够实现超宽带吸收和透反结合式极化转换功能的灵活切换, 吸收带宽达到9.8 THz, 反射式和透射式极化转换带宽分别为2.4 THz和4.42 THz.

    • 本文提出一种VO2和GeTe复合的超表面, 通过控制温度使VO2和GeTe的电导率变化, 从而实现超宽带吸收、反射型极化转换和透射型极化转换等功能的灵活切换. 当VO2为金属态且GeTe为晶态时, 太赫兹波沿–z方向入射, 该超表面在7.96—17.76 THz频段范围内吸收率大于90%, 吸收带宽达到9.8 THz, 相对带宽为76.2%, 此外, 所设计的吸收器极化不敏感, 并且在较大入射角下表现出良好的吸收性能; 太赫兹波沿+z方向入射, 该超表面在2.04—4.44 THz频段内对x/y偏振波的极化转换率大于0.9, 相对带宽为74.1%. 当VO2为介质态且GeTe为非晶态时, 该超表面在0.65—5.07 THz频段内可作为透射型极化转换器, 完成对x偏振波的极化转换, PCRx可达到0.9以上, 并且在较大的入射角范围内可以保持高极化转换性能. 该太赫兹超表面在成像、隐身技术、雷达探测等领域具有潜在的应用价值.

    参考文献 (20)

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