基于级联全硅超表面的偏振分辨非对称太赫兹波前整形

《Optics & Laser Technology》：Cascaded all-silicon metasurfaces for polarization-discriminating asymmetric terahertz wavefront shaping

　　**摘要**- 级联硅超表面实现了针对圆偏振光和线偏振光入射的太赫兹非对称波前整形。- 在超过0.1 THz的带宽内，实现了自旋选择性涡旋生成，通道对比度大于10 dB。- 实现了方向分辨的相位调制，背景抑制超过27 dB。**引言**太赫兹（THz）辐射通常被定义为频率范围从0.1到10 THz的电磁波，占据了一个连接微波电子学与红外光子学的独特频谱位置[1]、[2]、[3]。由于其在中高速无线通信[4]、[5]、无损成像[6]、[7]、安检筛查[8]、[9]以及光谱传感[10]、[11]等领域的巨大应用前景，这一中间频段引起了广泛的研究关注。在这些系统中，尤其是在太赫兹通信网络和雷达架构中，实现能够进行方向依赖性波前控制器件的能力至关重要[12]。非对称波前整形——即电磁波在向前和向后传播通过结构化介质时表现出不同的响应——实现了多种功能，包括偏振选择性通道路由、定向波束操控和多路复用波前编码，这些功能对于先进的太赫兹系统至关重要[13]、[14]。超表面作为亚波长人工"超"原子的平面阵列，已成为太赫兹波操控的强大而灵活的平台，如今已成为太赫兹器件工程的主流解决方案[15]至[28]。在众多超表面平台中，级联超表面架构近年来已成为一种有前景的范式，能够在单一器件中执行多项任务[16]、[29]至[34]。级联架构中传播方向所带来的额外设计自由度可以进一步增强信息容量，并实现单层配置无法实现的非对称波前控制[35]、[36]。通过引入构成超表面层空间排列、几何参数和相位编码中的故意不对称性，可以在被动、线性、时不变系统中实现方向依赖的偏振选择性波前变换，而无需磁光材料或外加磁场[37]至[41]。需要强调的是，本工作所展示的方向依赖波前变换源于级联各向异性超表面层在被动、线性、时不变系统中的不对称空间排列。这种几何和相位梯度工程产生了偏振选择性的非对称波前路由，这与通过磁光效应或其他非互易介质破坏时间反转对称性来实现的洛伦兹互易性破缺意义上的真正非互易性有本质区别[12]、[42]、[43]、[44]。级联超表面中非对称传输和波前操控的物理机制已在整个电磁波谱范围内被广泛探索。Zhang等人展示了基于不对称光子自旋-轨道相互作用的全介质超表面，用于同时实现巨大的圆偏振非对称传输和波前整形，在9.6 μm处实现了约0.69的非对称传输参数[39]。Xu等人提出了一种干涉辅助的超表面复用器，利用混合"超"原子之间的相长和相消干涉来实现独立的自旋选择性波前操控，为具有任意且独立自旋-波前特性的先进多功能光子学提供了一种独特的概念[45]。Chen等人报道了基于本征手性阶梯纳米孔的等离激元手性几何超表面实现的自旋可控波前整形，同时实现了高圆二色性透射和大交叉偏振比，从而实现自旋可切换功能[38]。这些代表性工作表明，非对称波前控制可以通过多种机制实现，包括自旋-轨道相互作用工程、干涉操控和几何相位编码，为偏振辨别型波前整形器建立了丰富的设计空间。具体在太赫兹频段，方向性和非对称波前控制因其在通信、成像和传感应用中的潜力而受到越来越多的关注。Chen等人利用热激活的钒氧化物集成Janus超表面展示了定向太赫兹全息成像，实现了太赫兹波的非对称聚焦和具有自由空间图像投影的定向全息成像，其中信息可通过温度和入射方向进行操控[37]。Shang等人报道了一种具有方向控制非对称双向传输相位的双功能超表面，由双层双箭头形结构夹着亚波长金属光栅组成，实现了针对相反传播方向的不同功能，包括偏折、聚焦、轨道角动量模式生成和全息成像[46]。Guo等人提出了一种光可编程GST超表面，用于编码太赫兹波前控制，利用Ge?Sb?Te?的可逆相变实现"超"原子对称性的可重构和非易失性反转，从而产生用于波束偏转和聚焦应用的稳健宽带相位切换能力[47]。Zhang等人展示了由脉冲光驱动的时空波前同步太赫兹超表面，能够在同步的传输和反射链路中实现具有高度调制的动态波束偏转[48]。这些工作共同展示了太赫兹超表面在方向性和非对称波前工程方面的不断扩展的能力。尽管取得了这些进展，偏振辨别型非对称太赫兹波前整形领域仍存在若干挑战。现有方法主要针对单一偏振态，即圆偏振或线偏振，缺乏在统一架构内的灵活偏振适应性。此外，自旋解耦相位控制与随机相位抑制在选择性通道路由中的级联配置组合尚未被系统性地展示。本工作的概念进展在于将这些元素整合到一个统一的级联架构中，该架构实现了针对圆偏振和线偏振太赫兹波的偏振辨别型非对称波前路由。通过系统地工程化各构成超表面层，这里展示的框架提供了一个通用的平台，用于实现方向依赖性、偏振选择性的波前控制，这与单偏振级联超表面系统有本质区别。在本工作中，我们展示了一系列基于精心设计的级联全硅超表面架构的偏振辨别型非对称太赫兹波前整形器，该架构通过几何和相位梯度工程本征地表现出方向不对称性。我们系统地阐明了不同偏振通道下的非对称波前操控：在圆偏振光入射下，级联架构实现了自旋依赖的非对称波束偏折和手性选择性波前变换；相反，在线偏振光入射下，它实现了方向分辨的非对称相位调制和方向依赖的波前定制。在这两种情况下，多个操作输出通道被同时支持，从而在统一的偏振自适应平台中实现多通道太赫兹非对称波前操控。至关重要的是，其底层设计范式具有普遍适用性：同一级联超表面框架通过刻意工程化各构成层，既能够适应圆偏振配置也能够适应线偏振配置，代表了构建紧凑、可集成、偏振多功能太赫兹非对称波前控制器件的可推广策略。**设计原理：级联"超"器件**所提出的偏振辨别型太赫兹非对称波前整形器由两个全硅超表面层级联构成，分别标记为MS1和MS2，如图1(a)所示。MS1是针对入射圆偏振波设计的超表面层。其相位编码策略旨在在两个正交偏振转换通道中实现不同的波前操控。在从右旋圆偏振到左旋圆偏振的通道中，采用了一种双通道相位编码方案，结合了偏折相位和……**设计原理：偏振复用级联器件**为了将非对称波前调制能力扩展到线偏振太赫兹波，设计了第二种级联超表面配置，由两个偏振复用全硅超表面层组成，分别标记为MS3和MS4。如图4(a)所示，级联线偏振超表面系统的非对称行为源于MS3中均匀相位通道与MS4中偏振转换聚焦通道的非对称排列。MS3被放置在……**结论**总之，我们展示了基于级联全硅超表面架构的一系列偏振辨别型非对称太赫兹波前整形器，这些架构通过几何相位工程和不对称相位梯度编码实现了方向不对称性，完全消除了对外部磁偏置或磁光材料的需求。对于圆偏振入射，由MS1和MS2组成的级联"超"器件实现了自旋选择性的非对称波前……**CRediT作者贡献声明****李辉**：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，软件，方法论，调查研究，形式化分析，数据整理，概念化。**李贵斌**：调查研究，形式化分析，数据整理。**邓子兰**：可视化，调查研究，概念化。**徐文辉**：软件，调查研究，数据整理。**李杰**：可视化，软件，形式化分析。**徐航**：软件，资金获取。**邱峰**：方法论，调查研究。**任阳**：调查研究，资金获取。**利益冲突声明**作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能对本论文所报告的工作产生影响。**致谢**本工作主要受国家自然科学基金（U22A2008，12404484，12464016，62405219）、云南省科学技术厅与云南大学双一流联合专项项目（202401BF070001-012）、博士后面上资助和中国博士后科学基金（BX20250362）以及四川省科技支撑计划（25QNJJ2419）的支持。李辉|李贵斌|邓子兰|徐文辉|李杰|徐航|邱峰|任阳|张燕|姚建全