用于动态定向太赫兹波路由的非对称扭转双层超表面

《Optics and Lasers in Engineering》：Asymmetric twisted bilayer metasurfaces for dynamic directional terahertz wave routing

　　- 全介电级联超表面将偏振操控、动态聚焦和太赫兹波的定向路由集成于一体。- 机械旋转实现了连续偏振切换，并可将360°方位角偏转与偏振解耦。- 非对称自旋解耦相位编码实现了方向依赖的非对称透射。## 引言太赫兹波已成为下一代高速无线通信网络和高精度传感应用的极具前景的候选技术[1,2]。随着数据容量和系统复杂度的快速提升，亟需实现太赫兹光场的多维操控，以克服大气衰减、高自由空间路径损耗和动态环境等根本性传播难题[3-5]。早期针对太赫兹光束传播控制的努力主要依赖传统介电透镜[6-8]、相控阵天线[9-11]以及笨重的超材料混合结构[12-14]。然而，这些传统器件受限于其静态特性；一旦配置完成，就缺乏动态运行所需的结构可调性。此外，现有动态解决方案在焦距和光束宽度的调谐范围上通常较为有限，同时聚焦效率较低、可扩展性较差，严重阻碍了其在复杂且高效太赫兹系统中的实际集成。超表面的出现为太赫兹光场的多维调制提供了革命性的平台[15-23]。具体而言，由高阻硅超原子构成的全介电超表面具有显著优势，因其能够支持强烈的米氏共振和局域场限制，从而在太赫兹波段实现高效率和低散射损耗的透射相位调制[24-27]。早期的超表面设计成功实现了诸如反常折射[28,29]、简单聚焦[30-32]和全息成像[33,34]等基本静态功能。然而，太赫兹应用日益增长的复杂性要求必须从静态转向动态光场操控。单层动态超表面面临与调制效率和调谐范围相关的性能瓶颈，而级联超表面结构通过面内相对机械旋转来操控波前，已成为一种稳健的解决方案，具有轻质、低功耗和大口径的优势[35-42]。近期研究大力借助这一概念来推进多维控制。例如，Xu等人提出了一种三层级联超表面，用于4D贝塞尔光束偏转，实现了对非衍射传播距离和三维空间扫描的独立控制[38]。Sun等人开发了一种超宽带改进的莫尔可调焦超透镜，利用偏移相位显著增强了聚焦效率和横向对准容差[39]。此外，Pander等人引入了一种基于三层偏振无关耶路撒冷十字几何结构的动态聚焦金属透镜，用于自适应控制0.3 THz无线通信的光束功率和焦距[40]。尽管取得了这些显著进展，现有的级联设计在很大程度上仅限于互易传播和单维度连续调谐，在单一器件中实现高度解耦、方向依赖的多维场控制方面仍存在关键空白[41,42]。为克服这些根本性限制，我们提出了一种工作于0.5 THz的级联太赫兹可重构超表面，协同集成了偏振操控、动态聚焦和非对称光路由。我们的架构包含两层全硅超表面：第一层基于几何相位编码的半波片超表面，第二层基于传播相位编码的四分之一波片超表面，以实现同时聚焦和偏振转换。通过相对第一层机械旋转第二层，该器件实现了偏振复用功能的连续动态切换，可在保持空间分离的同时，连续调节空间分离的焦点的偏振态。此外，固定第二层并仅旋转第一层，可通过纯几何相位旋转实现这些焦点的连续2π方位角空间偏转，完全将空间位置控制与传输偏振态解耦。关键在于，为克服自旋锁定几何相位调制的内在限制，我们进一步使用非对称自旋解耦相位编码方案重新设计了第一层。这种非对称性打破了级联琼斯矩阵在相反传播方向上的空间对称性，导致显著的方向依赖非对称透射：正向入射产生高保真交叉偏振聚焦，而反向传播则严格产生随机化的漫散射。这一多功能的级联太赫兹可重构超表面框架显著扩展了太赫兹光学的自由度，为非对称信息编码、定向波前路由和高级动态光束偏转提供了高度集成的解决方案。## 章节片段### 级联超表面的设计原理我们考虑一种工作频率为0.5 THz的级联太赫兹可重构超表面设计。所提出器件的基本设计原理如图1a所示。该设计包含两层全硅超表面：第一层是基于几何相位编码的半波片超表面，第二层是基于传播相位编码的四分之一波片超表面### 结论总之，我们理论上设计并实验验证了一种高度多功能的级联太赫兹可重构超表面器件，实现了0.5 THz下的多维、方向依赖的波操控。利用两层可机械旋转的全硅超表面，该器件成功地将空间光束偏转与偏振控制解耦。具体而言，固定第二层并旋转第一层，可通过纯几何相位驱动实现焦点的连续2π方位角空间偏转### 资助本工作主要得到国家自然科学基金、云南省科技厅与云南大学"双一流"联合重点项目以及博士后科学基金与中国博士后科学基金的资助。### 作者贡献声明**李辉：** 写作—审阅与编辑，写作—初稿，软件，方法学，调查，形式分析。**华柯欣：** 调查，形式分析，数据整理。**徐文辉：** 软件，调查，数据整理。**李杰：** 可视化，软件，形式分析。**徐杭：** 软件，资金获取。**邱丰：** 方法学，调查。**任阳：** 调查，资金获取。**沈云：** 调查，概念化。**张艳：** 调查，概念化。### 利益冲突声明作者声明他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。李辉 | 华柯欣 | 徐文辉 | 李杰 | 徐杭 | 邱丰 | 任阳 | 沈云 | 张艳 | 姚建全