具有可切换全息技术和吸收功能的宽带频率复用太赫兹超表面

《Optics and Lasers in Engineering》：Broadband frequency multiplexing terahertz metasurface with switchable holography and absorption

提出一种基于VO?相变和石墨烯费米能级调控的太赫兹超表面，实现0.5-0.8 THz振幅相位全息与2-3 THz宽带吸收的动态切换，并可通过调整石墨烯费米能级扩展至3.3-3.8 THz，具备极化不敏感和宽角特性，为多功能太赫兹应用提供新方案。

　　

杨家赫|王燕|谢志远|薛欣珏|韩东升|李少贺|陈健

华北电力大学雁赵电力实验室，中国河北省保定市，071003

摘要

随着对设备集成和系统小型化需求的增加，具有功能切换和频率复用能力的可调太赫兹（THz）超表面引起了广泛的研究兴趣。然而，将不同类型的功能集成到具有可切换宽带性能的单一超表面中仍然是一个重大挑战。在这项工作中，我们提出了一种频率复用超表面，它能够在三个不同的宽带频率范围内动态切换振幅-相位全息和吸收模式。这种功能可调性是通过二氧化钒（VO₂）的相变特性实现的。当VO₂处于绝缘状态时，该超表面可以在0.5到0.8 THz范围内生成振幅-相位全息图；当VO₂发生相变进入金属态时，超表面会切换到吸收模式，在2到3 THz范围内实现超过90%的宽带吸收率。此外，通过调节石墨烯的费米能级，可以动态移动吸收带以覆盖3.3–3.8 THz的范围，同时保持偏振不敏感性和宽角度容忍度。这种设计结合了跨功能切换和宽带频率复用的优点，为偏振器件、全息成像和THz吸收器等应用中的多功能集成提供了途径。

引言

太赫兹（THz）波的频率范围为0.1到10 THz，具有超宽带、高传输速度和低光子能量等独特特性。THz技术的最新进展在6G无线通信[1]、安全检测[2]、完美吸收[3,4]和电磁隐身[5]等多个领域展示了显著的应用潜力。然而，THz应用的进展受到缺乏有效控制近场和远场波分布的设备的限制。超表面的出现为这些问题提供了解决方案。超表面[[6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]]由亚波长超原子组成，能够以自然材料无法实现的方式操纵电磁波前。这种功能允许独立或同时操纵THz波的多个自由度，如偏振、振幅和相位。

通过仔细调节超原子的分布，超表面可以操纵波前以实现多种功能，包括光束聚焦[13,14]、自旋角动量（SAM）[15]、轨道角动量（OAM）[[16], [17], [18], [19]]和全息[20], [21], [22], [23], [24], [25]]。最近的进展表明，将全息技术与SAM[15]和OAM[[26], [27], [28], [29]]等波前操纵功能相结合，显著提高了成像性能，包括视角、衍射效率和图像保真度。为了实现超表面的功能集成和切换，已经探索了各种材料和结构策略，包括VO₂[[30], [31], [32], [33]]、石墨烯[[34], [35], [36]]、氧化铟锡（ITO）[[37], [38], [39]]和光敏硅[[40], [41], [42], [43]]。例如，罗等人通过调节基于VO₂的超表面的工作模式，实现了近场灰度成像和远场全息图之间的多通道切换[31]。田等人开发了一种基于VO₂和石墨烯的THz吸收器，能够在三种不同的吸收模式之间动态切换[44]。唐等人提出了一种可调石墨烯超表面，可以生成宽带THz四涡旋光束以及振幅-相位全息图[29]。通过独立调节振幅和相位，全息图表现出低成像噪声和高视觉保真度。尽管这些研究展示了多功能集成或切换的能力，但实现的功能仍然限于单一目的的操作，如波前控制或吸收，在单一频率或固定宽带范围内。

在这项工作中，我们提出了一种宽带频率复用超表面，能够在三个不同的THz频率范围内动态切换振幅-相位全息和吸收模式。这种功能是通过VO₂的相变和石墨烯的可调费米能级实现的。当VO₂处于绝缘状态时，通过独立控制振幅和相位来实现全息图；当VO₂转变为金属态时，超表面切换到吸收模式。通过调节石墨烯的费米能级可以调整工作频率范围。与之前的多功能超表面相比，所提出的设计为将不同类型的功能和多个宽带范围内的切换集成到单一超表面中提供了一种实用的方法。这种方法对于未来的THz通信、传感和光谱学应用具有巨大潜力。

设计原理

图1(a)展示了宽带频率复用超表面的功能。在温度低于68°C时，VO₂保持绝缘状态，使超表面能够在0.5到0.8 THz范围内生成振幅-相位全息图。当温度超过68°C时，超表面切换到宽带吸收模式，在2到3 THz范围内实现超过90%的吸收率。进一步调节石墨烯的费米能级可以使吸收带从3.3 THz移动到3.8 THz。所提出的超原子是

超原子的振幅和相位响应

为了评估所提出超原子的电磁响应，使用商业电磁仿真软件CST Microwave Studio 2025进行了全波仿真。沿x和y方向设置单元格边界条件以模拟无限阵列，而z方向采用开放（加空间）边界。在正常y偏振入射下，振幅调制单元的振幅和相位响应如图2所示。交叉偏振反射振幅表现出

潜在的制造和实验

图7展示了所设计超表面的潜在制造路线。首先，在硅基底上旋涂一层PI（聚酰亚胺）支撑层，然后通过磁控溅射（MS）沉积金膜，并旋涂下层PI介电层。接着溅射沉积VO₂膜并进行退火。通过顺序制造流程实现金谐振器的图案化，包括旋涂光刻胶、光刻图案化和金

结论

总结来说，我们提出了一种基于VO₂和石墨烯的可调特性的宽带频率复用超表面，能够在振幅-相位全息和吸收之间动态切换。通过改变VO₂的相变特性，可以实现可切换的功能属性。在VO₂的绝缘状态下，理论和仿真结果都表明，所提出的超原子允许独立且连续地调节振幅从0到

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