具有偏振切换功能的多功能波前调制

《Optics and Lasers in Engineering》：Multifunctional wavefront modulation with polarization switching

太赫兹钒氧化物（VO?）波导曲面实现多偏振通道动态波前调制，金属态下0°线偏振通道生成“Y”型全息图，90°线偏振通道产生涡旋光束；绝缘态下45°和135°线偏振通道分别实现异常偏折与聚焦，工作频段0.60-0.80 THz，为可重构波束器件提供新方案。

　　

杨恩祺|宋正勇

厦门大学电子科学与工程学院，中国厦门361005

摘要

超表面在调制波前方面展现了显著的能力，然而目前大多数设计仅限于单一功能，将动态控制与多功能切换集成仍然是一个关键的未解决挑战。二氧化钒（VO₂）是一种热控相变材料（PCM），常用于超表面的开发。本研究提出了一种太赫兹VO₂超表面，具有多功能波前调制和可切换偏振特性。通过使用定制的波前配置对超原子进行编码，并利用VO₂的相变实现偏振切换和多功能调整，从而实现了四种不同偏振的波前。作为可行性研究，入射波为0°线性偏振（LP）波。当VO₂处于金属态时，0° LP通道产生“Y”形全息图；而90° LP通道产生涡旋光束（VB）。当VO₂处于绝缘态时，45° LP通道产生异常偏转；135° LP通道实现聚焦。所设计的超表面还表现出优异的宽带特性，在0.60–0.80 THz范围内实现了预期的四通道波前调制。由于集成了多种功能，我们的方案在光束操控方面具有巨大的潜力。

引言

超材料作为亚波长尺度下人工制造的微结构，可以实现任意的等效介电常数和磁导率，引入了操控电磁波的新方法，并实现了多种光学现象，包括负折射[1,2]、隐身[3,4]和吸收[5,6]。超表面作为超材料的平面化版本，不仅保留了超材料的优势，还进一步降低了制造体积和难度[[7], [8], [9], [10]]。

通过根据相位分布排列特定的超原子，超表面可以实现电磁波的自由波前控制，这促进了四种核心功能的发展[11,12]。轨道角动量（OAM）功能通过调节电磁OAM状态来增强通信能力，在量子通信和高分辨率成像中具有独特价值。它通过为电磁处理增加一个新的自由度，打破了传统的调制限制。2017年，Devlin等人通过超表面实现了高效的自旋-轨道转换，标志着OAM调控的关键突破[13]。2025年，Ahmed等人提出了一种用于定制多色OAM梳子的超表面，以在不同波长上调节OAM状态[14]。波束转向控制了电磁波的传播方向，这对于雷达和光通信至关重要。基于超表面的设备相比传统棱镜具有更小的体积和更高的集成度。2014年，Yu等人率先使用梯度相位设计实现了波束偏转[15]。2025年，He等人开发出了完美的异常折射超表面，实现了72°的异常偏转，插入损耗低于1.1 dB[16]。波束聚焦通过相位补偿使电磁波汇聚，这对成像和光刻至关重要。2018年，Shrestha等人提出了一种无色差超表面，将波束聚焦技术推进到了传统色散极限之外[17]。超全息技术通过编码的相位信息重建电磁波，为3D显示和信息存储提供了可能性。2024年，Wang等人开发了一种可偏振控制的超全息技术，实现了分米级深度的全息重建[18]。然而，传统超表面一旦制造完成，其功能通常是静态的[19,20]，这限制了它们在动态应用中的适应性。

相变材料（PCMs）是动态超表面设计的核心组件[21,22]。这类活性材料可以通过外部输入（如机械[23]、电[24]或光触发[25]）进行调制，典型的例子包括石墨烯[26,27]、GST[28,29]和液晶[30,31]。其中，VO₂因其热控的绝缘体-金属相变特性而脱颖而出，在68°C左右表现出显著的导电性跃变。这一独特性质使得VO₂能够高效且快速地调节电磁响应，使其成为设计动态可调超表面的理想材料[32,33]。最近，太赫兹波段因其在高速通信、无损成像和传感中的关键应用而受到广泛关注[[34], [35], [36], [37], [38]]。此外，将PCMs集成到太赫兹超表面中，为实现动态可调和可重构的多功能设备提供了一个有前景且灵活的平台。

为了提高信息容量和通道数量，各向异性超表面已成为研究热点。它们的偏振依赖响应允许独立调节正交偏振通道，这一特性为多功能集成奠定了关键基础。值得注意的是，各向异性结构与PCMs的结合已成为突破静态各向异性设计限制的关键方向。早期的各向异性超表面主要关注静态双通道控制，因此将活性PCMs集成到各向异性系统中已成为近期研究中实现动态可调性的主要方法。2021年，Shu等人提出了一种可以通过焦耳加热诱导的相变实现电驱动宽带偏振旋转的活性VO₂超表面[39]。2025年，Feng等人报道了在超表面中对正交偏振通道进行定向扰动和独立操控，从而进一步扩展了各向异性超系统的应用范围[40]。这些进展充分展示了各向异性与活性PCMs在提升超表面功能方面的协同效应。受这一集成理念的驱动，VO₂超表面在太赫兹波段展示了出色的动态调节潜力，并成为可重构超表面的核心平台。2018年，Ding等人引入了一种基于VO₂的可重构太赫兹超表面[41]。2020年，Guan等人展示了一种通过编码超表面架构实现双偏振复用的超全息图[42]。2021年，Jiang等人使用结合了Pancharatnam-Berry（PB）和动态相位的超表面实现了动态波前操控[43]。2024年，Aigner等人调整了基于VO₂的高Q BIC超表面中的主动和被动损耗[44]。2025年，Dong等人通过异质集成实现了可重构的PB相位[45]。

尽管现有研究在功能切换和多通道控制方面取得了显著进展，但在单个超表面内集成更多功能并实现偏振转换仍然是一个重要挑战。基于此，本研究提出了一种热控VO₂超表面，能够在图1中实现四种不同偏振通道的动态波前调制。当VO₂处于金属态时，0°和90° LP通道的反射波分别实现全息成像和VB生成；当VO₂处于绝缘态时，45°和135° LP通道分别实现异常偏转和聚焦。这项工作实现了四个偏振通道的独立波前控制，为设计太赫兹可重构设备和多功能系统提供了一种有效方法。

章节摘录

理论与设计

PB相位函数是超表面中重要的相位调制机制。在理想半波片条件下，基于PB相位的超原子仅通过调整其空间取向即可实现360°的相位覆盖，而无需改变结构尺寸。此外，对于两种不同的自旋状态，PB相位的符号相反，从而导致左旋圆偏振（LCP）和右旋圆偏振（RCP）功能的锁定和镜像。

结果与分析

当上层MIM结构作为主要调制组件且VO₂处于金属态时，超表面将在0° LP通道生成“Y”形全息图，而在90° LP通道产生TC = ?2的涡旋光束（VB）。全息图的相位分布是通过Gerchberg-Saxton（GS）迭代方法获得的，该方法应用快速傅里叶变换操作，将起始图像的复振幅转换为所需的光场，逐步接近目标振幅。

制造与测量

我们设备的潜在实现和特性在下面详细描述。逐步制造过程如图10所示。首先，图10(a)展示了在干净的SiO?基底上涂覆光刻胶的过程。随后，在图10(b)中的图案化光刻胶上沉积金层。如图10(c)所示，剥离技术去除了不需要的金层，留下了底部的金阵列。接下来，沉积SiO?间隔层。

结论

总结来说，本研究提出了一种使用热控VO₂超原子的偏振选择性策略。我们的方法利用VO₂在68°C左右发生的相变来共同调节传播相位和几何相位。这使得在单偏振波的照射下实现灵活的偏振转换和精确的波前整形。当VO₂处于金属态时，我们的系统可以动态切换四种操作功能，包括全息成像和VB生成。

资助

本工作得到了福建省自然科学基金（2024J01053）和中央高校基本科研业务费（20720250072）的支持。

CRediT作者贡献声明

杨恩祺：撰写——原始草稿、研究、数据管理。宋正勇：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、监督、资金获取、数据管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。