基于VO2的反射太赫兹超表面的动态波前操控技术 黄瑞凡（Ruifan Huang）、 史尚初（Shangchu Shi）、 孙莫汉（Mohan Sun）、 杨瑞（Rui Yang）、 林一珍（Yizhen Lin）、 吴明忠（Mingzhong Wu）、 张明泽（Mingze Zhang）、 马克西缅科（Sergey Maksimenko）以及 何勋军（Xunjun He）

《Nanomaterials》：Dynamic Wavefront Manipulation Enabled with VO2-Based Reflective Terahertz Metasurfaces Ruifan Huang, Shangchu Shi, Mohan Sun, Rui Yang, Yizhen Lin, Mingzhong Wu, Mingze Zhang, Sergey Maksimenko and Xunjun He

　　摘要 动态波前控制在推进太赫兹（THz）高精度无损检测、无线通信和高分辨率成像方面发挥着至关重要的作用。然而，现有的THz动态波前控制方法存在固有的局限性，如结构复杂、工作带宽狭窄以及只能调节单一功能，这严重限制了它们的实际应用。为了克服这些挑战，我们提出了一种基于嵌套分裂环单元格的动态反射THz超表面。该嵌套单元格由一个外部双分裂VO2环谐振器和一个内部单分裂铝环组成，两者都沉积在中央的VO2圆形贴片上。通过分别将内外环置于VO2的绝缘态和金属态，可以在两种VO2状态下实现1.07 THz的全2π相位覆盖范围，同时保持高于0.98的高极化转换效率（PCR），从而实现高效的动态波前控制。利用这些单元格，我们构建了三种不同的反射超表面，分别能够生成具有可调焦距的宽带聚焦光束、具有不同拓扑电荷的宽带涡旋光束，以及通过改变VO2的状态在聚焦模式和涡旋模式之间切换的宽带光束。这种设计为开发紧凑型多功能THz设备提供了极大的灵活性，对集成THz系统、高容量通信和高分辨率成像具有广阔的应用前景。

1. 引言
随着太赫兹（THz）技术的快速发展，THz波前控制在包括高分辨率成像、生物传感和无损检测在内的前沿领域受到了广泛关注[1,2,3,4,5,6]。目前，大多数THz波前控制方法仍然主要依赖于传统的光学元件，如透镜、棱镜、空间光调制器和螺旋相位板[7,8,9]。然而，这些设备通常受到较大体积和复杂结构的限制，这限制了它们的实际部署和更广泛的应用[10,11,12,13]。相比之下，超表面作为一种由亚波长单元格按特定顺序排列的二维平面结构，提供了一个有前景的替代方案[14,15]。通过精心设计这些单元格的几何形状、尺寸和排列方式，超表面能够精确控制入射波的相位、幅度和偏振[16,17,18]。这些能力支持实现多种复杂的THz波前功能，如平面聚焦透镜、光束偏转器和涡旋光束生成器[19,20]。此外，近年来超表面已经从单一波前操控扩展到多维和智能应用，在非互易光学控制和人机智能交互方面具有巨大潜力，为下一代光子系统和无线通信网络提供了新的解决方案[21,22]。
为了进一步实现动态THz波前操控，最近出现了与功能材料集成的超表面这一新型平台。例如，Dai等人展示了一种使用嵌入了光敏锗的分裂环谐振器的3位可重构THz反射超表面，能够生成具有不同拓扑电荷的涡旋光束[23]。Chen等人提出了一种基于液晶的宽带偏振无关THz多功能编码超表面，可以实现动态波前重构，包括光束转向和涡旋光束生成[24]。Liu等人利用石墨烯结构实现了一种手性THz超表面，能够实现圆偏振波的可切换聚焦[25]。Wang等人报道了一种集成液晶的THz金属透镜，能够在偏振无关的单聚焦和自旋选择性双焦操作之间切换[26]。Li等人提出了一种基于双矩形石墨烯图案的新超表面，用于生成具有可调拓扑电荷的涡旋光束和具有可调焦距的聚焦光束[27]。尽管在动态波前控制方面取得了显著进展，但现有方法仍然存在固有的局限性：结构复杂、响应速度慢、工作带宽窄以及仅能进行单一功能调制而非真正的多功能重构。这些缺点严重限制了它们在需要多功能、宽带和稳定波前操控的复杂场景中的实际应用[28]。
为了解决这些挑战，我们提出了一种基于嵌套VO2-金属分裂环单元格的反射THz超表面，用于主动波前控制。每个单元格包括一个外部双分裂VO2环谐振器和一个内部单分裂铝环谐振器，两者都沉积在中央的VO2圆形贴片上。通过将内外环分别置于VO2的绝缘态和金属态，可以在两种状态下实现1.07 THz的全2π相位覆盖范围，同时在左旋圆偏振（LCP）照明下保持高极化转换效率。基于这种设计，我们构建了三种功能超表面，分别能够在宽频率范围内实现不同的动态波前：具有可调焦距的聚焦光束、具有不同拓扑电荷的涡旋光束，以及可以在聚焦模式和涡旋模式之间动态切换的光束。这种方法为开发微型多功能THz波前设备提供了灵活的策略，对高容量6G通信、高分辨率成像和集成THz微操控系统具有广阔的应用前景。

2. 单元格的设计与仿真
为了实现动态波前控制，如图1a所示，我们设计了一个三层“金属-介质-金属”单元格，如图1b–d所示。从上到下，单元格包括一个嵌套分裂环谐振器的顶层、一个聚酰亚胺介质层和一个铝金属基板。顶层结构由一个外部双分裂VO2环谐振器和一个内部单分裂铝环组成，两者都沉积在中央的VO2圆形贴片上。在金属态下，外部VO2环谐振器作为主要的相位移动元件，通过结构旋转在宽频率范围内提供全2π相位覆盖范围。而在绝缘态下，内部铝环作为主要的调谐元件，也通过旋转实现独立的2π相位覆盖控制，从而在宽频率带内实现动态波前控制。此外，圆形VO2贴片在两种工作状态下都提高了极化转换效率。与之前报道的结构[29]相比，我们的结构不仅在宽带宽内实现了相位重构和高极化转换效率，而且还实现了主动动态波前控制。为了验证设计的性能，我们使用CST微波工作室中的有限差分时域（FDTD）求解器进行了全波仿真。在x和y方向上施加周期性边界条件，而Zmax和Zmin设置为开放边界。LCP波沿z方向垂直入射。优化的几何参数总结在表1中。铝的导电率设为σ = 3.56 × 10^7 S/m，聚酰亚胺的介电常数为εPI = 3.5。对于相变材料VO2，其在金属态下的导电率设为σ = 2 × 10^5 S/m，在绝缘态下为σ = 200 S/m[30,31]。
图1. 设计的超表面和单元格示意图：(a) 超表面的功能示意图，(b) 3D透视图，(c) 侧视图，(d) 单元格的顶视图。
表1. 单元格的优化几何参数。
图2a,b分别展示了VO2在绝缘态和金属态下的THz响应。在绝缘态（图2a）下，1.07 THz时的交叉偏振反射幅度（RRL）超过0.85，而同偏振反射幅度（RLL）保持在0.25以下。相应的极化转换比率（PCR）在1.0–1.4 THz范围内保持在0.98以上。当切换到金属态（图2b）时，1.07 THz时的RRL仍超过0.8，而RLL始终较低，PCR > 0.98的频段转移到0.8–1.2 THz。值得注意的是，两种状态下的高PCR区域在1.0–1.2 THz范围内重叠。此外，通过分别在两种VO2状态下独立旋转内外环，可以在这个重叠的频率范围内实现每种状态的全2π相位覆盖范围，如图3所示。基于上述分析，建立了两组单元库，每组包含八个超表面单元。通过旋转超表面单元顶层的内外环引入了不同的相位移动，如图4所示。这些元素共同为动态波前控制奠定了关键基础。
图2. 在LCP入射下单元格的THz响应：(a) 绝缘态和(b) 金属态下的交叉偏振、同偏振和PCR。
图3. 通过旋转不同元件获得的单元格的交叉偏振相位：(a) 绝缘态下的内环和(b) 金属态下的外环。
图4. 两组超表面单元结构的幅度和相位响应：(a) 绝缘态和(b) 金属态。
为了进一步评估相邻单元格之间的相互耦合，我们分析了单元格周期对两种VO2状态下相位和幅度的影响。如图5所示，当单元格的周期P减少10–20%而其他参数保持不变时，1.07 THz时的相位和幅度变化可以忽略不计。这种稳定性表明，单元格的电磁响应不受互感或电容耦合的影响，从而确保了在复杂编码阵列环境中的单元行为与孤立单单元模型的行为高度一致。此外，图6显示了在左旋圆偏振（LCP）波激励下单元的近场分布特性。可以清楚地观察到，在两种VO2状态下，感应电流都紧密限制在顶部单分裂金属环、基于VO的双分裂环和内部贴片的边缘区域，而在单元的周期性边界附近迅速衰减至零。这种电磁能量在单个单元的物理边界内的局部化直接证明了单元间没有显著的能量传递或电磁串扰。
图5. 不同单元周期P下的反射特性：(a) 绝缘态和(b) 金属态。
图6. 1.07 THz时的表面电流分布：(a) 绝缘态和(b) 金属态。

3. 动态波前控制
3.1. 可调焦距的聚焦光束
变焦金属透镜在THz成像、传感和医疗诊断应用中非常有价值，因为它们能够在没有笨重机械系统的情况下实现动态和自适应波前控制[27,32,33,34]。为了实现焦距可以在??I和??II之间切换的金属透镜，相应的相位分布必须满足以下表达式[35]：
?{ { {?{ { {???I?(??,??)=2?π???(√??2+??2+??2I???I)??II?(??,??)=2?π???(√??2+??2+??2II???II) （1）
其中λ表示入射波长，(x, y)表示单元格中心的坐标。为了在1.07 THz时使用VO2的金属态和绝缘态实现800 μm和1600 μm之间的焦距切换，基于预定义的库构建了一个由21 × 21个单元格组成的反射超表面。从方程(1)得出的相应相位分布如图7所示。
图7. 由21 × 21个单元格组成的超表面的相位分布，用于可调焦距：(a) fI = 800 μm和(b) fII = 1600 μm。
图8显示了在1.07 THz时两种VO2状态下可调焦距金属透镜在x-z平面上的电场强度分布。在金属态（图8a）下，反射波在z = 833 μm处汇聚成一个明确的焦点，焦深为580 μm。焦点位置与设计值（fI = 800 μm）略有偏差，这可以归因于超表面阵列的有限尺寸[36,37,38]。相比之下，当VO2处于绝缘态（图8b）时，焦点沿传播方向显著移动，伴随着焦深的增加。此时，能量在z = 1592 μm处集中，焦深为1018 μm，与预设的焦距（fII =1600 μm）非常接近，误差很小。这些仿真结果证实了可调聚焦行为源于VO2的相变特性。具体来说，其金属态和绝缘态之间的不同导电率重新配置了超表面的相位分布，从而使用单一设备架构实现了有效的动态波前控制。为了进一步评估宽带性能，检查了金属透镜在多个频率下的聚焦能力。如图9所示，在金属态下，从0.80到1.20 THz范围内保持了明确的焦点。同样，在绝缘态下，从0.90到1.50 THz也观察到了清晰的聚焦。这些结果验证了该设备在两种相位状态下都具有宽工作带宽，为宽THz频率范围内的动态波前控制提供了可靠的设备级策略。
图8.在不同状态下，1.07 THz频率下聚焦超表面的电场分布：(a) 金属态；(b) 绝缘态。图9显示了在不同频率和状态下聚焦超表面的电场分布：(a) 0.80 THz和1.20 THz时处于金属态；(b) 0.90 THz和1.50 THz时处于绝缘态。3.2. 拓扑电荷可调涡旋光束涡旋光束具有螺旋形相位前沿和甜甜圈形状的强度分布，携带轨道角动量（OAM），其具有不同拓扑电荷的模式本质上是正交的[39,40]。这种正交性防止了具有不同拓扑电荷的涡旋光束之间的相互干扰，使得在同一空间通道内同时传输多个光束成为可能。这种模式分复用技术为大幅提高未来通信系统的通道容量和频谱效率提供了强有力的手段，满足了高吞吐量应用（如高容量通信、高分辨率成像和传感）日益增长的需求[41,42]。为了生成拓扑电荷可以在特定值（lI = +1和lII = +1）之间动态切换的涡旋光束，相应的相位分布必须满足以下表达式[43]：{??I?(??,??)=??I??????????????(??/??)??II?(??,??)=???II??????????????(??/??) (2) 其中l表示拓扑电荷，(x, y)是单元格中心的坐标。利用VO2的这两种状态，我们设计了一个由20 × 20个单元格组成的反射超表面，以实现具有可切换拓扑电荷的涡旋光束。这种配置使得在1.07 THz时可以在l = +1和l = ?1之间切换。根据方程(2)得出的相应相位分布如图10所示。图10显示了在不同状态下生成可调涡旋光束的超表面相位分布：(a) 金属态；(b) 绝缘态。图11展示了在1.07 THz时两种VO2状态下生成的涡旋光束的电场强度分布（在x-z和x-y平面）和相位轮廓。在金属态（图11a）中，x-y平面（z = 1450 μm）的电场强度呈现出具有接近零强度中心的特征性环形图案。在x-z平面中，环形半径沿传播方向逐渐扩大，没有明显畸变。相应的相位轮廓显示出一个完整的顺时针2π螺旋，证实了成功生成了拓扑电荷为l = +1的涡旋光束。相反，在绝缘态（图11b）中，x-y平面（z = 1450 μm）的电场同样显示出具有中心零点的清晰环形分布。在x-z平面中，反射波沿轴线螺旋传播，环半径逐渐扩大。相位轮廓显示出一个明显的逆时针2π螺旋，与拓扑电荷为l = ?1的涡旋光束的特性相匹配。这些结果表明，所设计的超表面可以通过利用VO2的两种状态来生成具有可切换拓扑电荷的涡旋光束。这种可调性源于VO2的相变。VO2在金属态和绝缘态之间的导电性变化有效地重新配置了超表面的相位分布，从而实现了单一设备内的动态波前控制。为了评估宽带性能，进一步在多个频率下检查了涡旋光束的生成情况。如图12所示，在金属态下，从0.95到1.20 THz稳定地产生了拓扑电荷为l = +1的涡旋光束。同样，在绝缘态下，从1.00到1.30 THz一致地产生了拓扑电荷为l = ?1的涡旋光束。这些发现证实了超表面在两种相态下都具有出色的宽带涡旋光束生成能力。图11显示了在不同状态下1.07 THz时涡旋光束的电场强度和相位分布：(a) 金属态；(b) 绝缘态。图12显示了在不同频率和状态下涡旋光束的电场和相位分布：(a) 0.95 THz和1.20 THz时处于金属态；(b) 1.00 THz和1.30 THz时处于绝缘态。3.3. 在聚焦光束和涡旋光束之间的动态切换聚焦光束的能量聚焦特性以及涡旋光束携带的OAM的正交性是关键THz技术应用（包括动态微操纵、高容量通信和高分辨率成像）的基本前提[44,45]。为了实现聚焦光束和涡旋光束之间的动态切换，所需的相位分布通常由以下表达式描述：{?????(??,??)=2?π???(√??2+??2+??2???)?????(??,??)=????????????????(??/??) (3) 其中λ是入射波长，l是拓扑电荷，(x, y)表示单元格中心的坐标。为了利用VO2的金属态和绝缘态，在1.07 THz时实现焦距为f = 800 μm的金属透镜和拓扑电荷为l = ?1的涡旋光束之间的功能切换，我们设计了一个由20 × 20个单元格组成的反射超表面。根据方程(3)计算出的相应相位分布如图13所示。图13显示了在不同VO2状态下切换聚焦光束和涡旋光束的超表面相位分布：(a) 金属态；(b) 绝缘态。图14展示了在不同VO2状态下1.07 THz时超表面的模拟电场强度和相位分布。当VO2处于金属态（图14a）时，反射波在z = 820 μm处汇聚成一个明确的焦点，焦点深度约为590 μm。相比之下，当VO2处于绝缘态（图14b）时，x-y平面（z = 1450 μm）的电场显示出典型的环形图案，中心强度为零。在x-z平面中，场沿传播轴保持V形轮廓，环半径逐渐扩大。相应的相位轮廓显示出一个明显的逆时针2π螺旋，证实了生成了拓扑电荷为l = ?1的涡旋光束。这些结果验证了可以通过利用VO2的相变实现聚焦金属透镜和涡旋光束生成器之间的动态切换。为了进一步评估这种可重构设备的宽带性能，在多个频率下检查了其聚焦和涡旋光束生成能力。如图15所示，在金属态下，从0.80到1.20 THz保持了一个清晰的焦点。在绝缘态下，从1.00到1.30 THz稳定地产生了拓扑电荷为l = ?1的涡旋光束。这证实了该设备在两种相态下的宽带适应性和功能稳健性。为了进一步突出所提出设计的新颖性和优势，表2中总结了与以往工作的对比。对比清楚地表明，所提出的设计在几个关键方面优于之前报道的THz设备，包括更宽的操作带宽、更低的结构复杂性（更少的层）和增强的多功能切换能力。图14显示了在不同状态下1.07 THz时聚焦/涡旋切换超表面的电场和相位分布：(a) 金属态；(b) 绝缘态。图15显示了在不同频率和状态下聚焦/涡旋切换超表面的电场和相位分布：(a) 0.80 THz和1.20 THz时处于金属态；(b) 1.00 THz和1.30 THz时处于绝缘态。表2总结了所提出的工作与之前报道的THz工作之间的比较。4. 潜在的制造工艺所提出的超表面的制造过程如图16所示。首先，用丙酮、乙醇和去离子水依次清洗石英晶圆。然后通过磁控溅射在清洁后的基底上沉积铝膜。随后，在铝膜上旋涂聚酰亚胺层，并在高温下固化以形成均匀的膜。接着通过磁控溅射沉积VO2膜，然后进行低温退火以提高结晶度和相变性能。在VO2层上旋涂光刻胶，使用光刻技术进行图案化，然后通过反应离子刻蚀将VO2膜蚀刻成所需的结构。最后，通过磁控溅射沉积顶层铝膜，然后旋涂光刻胶并使用传统的紫外光刻技术进行图案化，以实现顶部金属单分裂环谐振器。图16展示了基于VO2的反射THz超表面的制造过程。5. 结论总之，我们成功展示了一种基于嵌套分裂环单元阵列的可重构反射THz超表面，用于动态波前控制。该单元包括一个外部双分裂VO2环谐振器和一个内部单分裂铝环谐振器，它们沉积在中央的VO2圆形贴片上。通过在VO2的绝缘态和金属态下分别旋转这些环，可以在1.07 THz时在两种VO2状态下实现独立的全2π相位覆盖，同时保持高于0.98的高偏振转换效率（PCR）。利用这些单元，设计了三种不同的功能超表面，以实现变焦金属透镜、具有可调拓扑电荷的涡旋发生器以及在聚焦模式和涡旋生成模式之间切换的波前切换转换器。通过调整VO2的绝缘态和金属态，金属透镜能够在1.07 THz时实现焦距在fI = 833 μm和fII = 1592 μm之间的切换。涡旋发生器产生拓扑电荷为l = +1和l = ?1的涡旋光束，转换器在同一工作频率下实现聚焦模式（f = 820 μm）和涡旋生成模式（l = ?1）之间的动态切换。此外，这些设备表现出宽带操作特性，模拟结果与设计预期非常吻合。因此，我们的设计为开发紧凑、多功能的THz设备提供了一个高度灵活的平台，具有在集成THz系统、高容量通信和高分辨率成像中应用的强大潜力。