研究人員開發(fā)出一種基于超表面的新方法，利用表面波生成太赫茲復(fù)雜矢量光場。這一進(jìn)展使緊湊型高性能光學(xué)設(shè)備得以應(yīng)用于通信、傳感和 AR/VR 領(lǐng)域。

《光電科學(xué)》近期刊發(fā)論文，探討了在表面波驅(qū)動下通過超表面生成太赫茲復(fù)雜矢量光場的技術(shù)。

隨著信息通信技術(shù)發(fā)展（特別是5G/6G網(wǎng)絡(luò)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的興起），市場對具有高帶寬、快速響應(yīng)、低功耗和小型化特征的片上光學(xué)調(diào)控器件需求激增。然而傳統(tǒng)光學(xué)器件往往面臨體積大、效率低、調(diào)控自由度有限等瓶頸。

超表面作為新型光學(xué)器件，通過亞波長人工結(jié)構(gòu)單元的精確排布，可實現(xiàn)異常反射/折射、平面棱鏡、全息成像、表面波激發(fā)等特殊光學(xué)效應(yīng)。近期研究探索將片上表面波作為激勵源，利用超表面實現(xiàn)表面波的高效自由空間解耦與波前調(diào)控，為片上光學(xué)應(yīng)用開辟新路徑。

突破性復(fù)合超表面設(shè)計

該論文提出一種通用方法，可設(shè)計超緊湊片上光學(xué)器件，在表面波激勵下高效生成預(yù)設(shè)的復(fù)雜波前矢量光束（VOFs），并在太赫茲頻段完成實驗驗證。

圖片:Schematic-Diagram-of-the-Metasurface-Device.png

圖1.超表面器件工作原理示意圖。

對于具有線性幾何相位的反射型超表面器件，當(dāng)垂直方向線偏振光入射時，散射場將同時包含與自旋相關(guān)和自旋無關(guān)的異常/正常模式（圖1a）。隨著入射角增大，異常模式與正常模式經(jīng)超表面調(diào)控后反射角均逐漸增大。當(dāng)入射波為片上表面波時，"存活"于自由空間的模式為特定圓偏振光，該模式的輻射角度和偏振態(tài)均可通過精確設(shè)計超表面相位梯度實現(xiàn)任意調(diào)控（圖1b,c）。

復(fù)合超表面構(gòu)建復(fù)雜矢量光場

基于此，研究人員進(jìn)一步提出設(shè)計復(fù)合超表面輻射復(fù)雜矢量光場的構(gòu)想。將傳統(tǒng)單一"人工原子"擴(kuò)展為2×2"人工分子"，其中不同亞單元（藍(lán)色/紫色）具有獨立旋轉(zhuǎn)角度與方向。在表面波激勵下，這些亞單元可同時輻射左旋圓偏振(LCP)與右旋圓偏振(RCP)分量，通過干涉效應(yīng)控制局部相位與偏振分量，在宏觀尺度構(gòu)建矢量光束的特定波前與偏振分布（圖1d）。

圖片:Experimental-characterization-of-the-radially-polarized-Bessel-beam.jpg

圖2.徑向偏振貝塞爾光束實驗表征。

為實現(xiàn)該構(gòu)想，研究人員開發(fā)了通用設(shè)計方法：將目標(biāo)矢量光場分解為不同波矢與圓偏振基矢的疊加，通過目標(biāo)總場與人工原子的映射關(guān)系確定復(fù)合超表面設(shè)計參數(shù)，最終完成原型器件設(shè)計（圖2a）。例如研發(fā)的THz器件可在表面波激勵下生成徑向偏振貝塞爾光束，通過全波仿真與近場掃描在不同平面與偏振方向展示光場形態(tài)，結(jié)果顯示高度吻合，驗證了器件的優(yōu)異性能（圖2b-g）。該研究為實現(xiàn)高度集成的片上太赫茲器件提供了新思路，在生物傳感、高速通信、激光雷達(dá)、AR/VR等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.29026/oes.2025.240024