導(dǎo)讀

近日，復(fù)旦大學(xué)物理系周磊/孫樹(shù)林課題組利用由高深寬比（20:1）的硅基人工原子構(gòu)建的超構(gòu)表面（Metasurface），在太赫茲波段實(shí)現(xiàn)了絕對(duì)效率高達(dá)88%的透射式自旋解耦雙功能器件，例如在不同手性太赫茲光照射下實(shí)現(xiàn)聚焦/偏折或雙全息成像等等不同功能。相關(guān)研究成果以“Bifunctional Manipulation of Terahertz Waves with High-Efficiency Transmissive Dielectric Metasurfaces”為題，于2022年12月在線發(fā)表在Advanced Science期刊上。

研究背景

太赫茲（Terahertz，THz）波因其在信息通訊、生物醫(yī)療和國(guó)防安全等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用需求而備受相關(guān)科研人員的關(guān)注。然而，傳統(tǒng)太赫茲器件由于自然材料在該波段的電磁響應(yīng)很弱，而普遍存在體積龐大、效率低和功能單一等問(wèn)題。近年來(lái)，具有強(qiáng)大電磁波調(diào)控能力和超薄結(jié)構(gòu)特性的超構(gòu)表面的出現(xiàn)為光學(xué)器件的小型化和功能多樣化方面帶來(lái)了新的契機(jī)。太赫茲超構(gòu)表面器件研究在成為太赫茲領(lǐng)域研究熱點(diǎn)的同時(shí)，也面臨著諸多困難與挑戰(zhàn)：金屬歐姆損耗極大限制超構(gòu)器件的絕對(duì)工作效率，現(xiàn)有全介質(zhì)超構(gòu)表面器件存在功能相對(duì)單一和效率低等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出了利用具有高深比的全介質(zhì)柱人工原子（例如：純硅）構(gòu)建透射式太赫茲高效自旋解耦超構(gòu)表面功能器件的新思路，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同圓偏振太赫茲光激勵(lì)下的多功能光場(chǎng)調(diào)控（見(jiàn)圖1）。

圖1 高效雙功能全介質(zhì)超構(gòu)表面的示意圖

研究亮點(diǎn)

復(fù)旦大學(xué)周磊教授團(tuán)隊(duì)在太赫茲波段基于高深寬比（20：1）全介質(zhì)人工原子構(gòu)建了多功能超構(gòu)器件，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)左右旋圓偏振入射光的高效（絕對(duì)效率88%）且完全不同的波前調(diào)控（即自旋解耦）。光學(xué)器件的效率和多功能操控一直以來(lái)都是一個(gè)瓶頸問(wèn)題，對(duì)于透射式器件尤為明顯。究其本質(zhì)是構(gòu)建超構(gòu)表面的人工原子既要滿足全相位覆蓋要求，還要具備高的透射效率。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)具有高深寬比的全介質(zhì)人工原子可同時(shí)滿足上述條件，同時(shí)利用散射相消原理在器件反面引入減反結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步提升器件的絕對(duì)效率。團(tuán)隊(duì)通過(guò)將套刻技術(shù)與深硅刻蝕Bosch工藝相結(jié)合，調(diào)節(jié)刻蝕（etch）和鈍化（passivation）工藝平衡，成功制備出了具有100%偏振轉(zhuǎn)化效率的高深寬比雙面介質(zhì)人工原子（如圖2所示）。

圖2 器件加工中的Bosch工藝平衡，器件SEM圖以及太赫茲光譜圖

基于上述高效透射型全介質(zhì)人工原子，團(tuán)隊(duì)充分利用與自旋無(wú)關(guān)的傳輸相位和與自旋相關(guān)的幾何相位這兩個(gè)獨(dú)立調(diào)控自由度，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了手性完全解鎖的高效雙功能波前調(diào)控器件。圖3 展示了高效雙功能波前調(diào)控器件所對(duì)應(yīng)的透射相位分布及其對(duì)應(yīng)的人工原子的幾何參數(shù)和旋轉(zhuǎn)角度分布。團(tuán)隊(duì)的太赫茲實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)完美驗(yàn)證了該超構(gòu)器件對(duì)左右旋圓偏振光實(shí)現(xiàn)的聚焦和偏折效應(yīng)，其絕對(duì)工作效率高達(dá)88%。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方法的普適性，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)表征了功能更加復(fù)雜的高效全息成像雙功能器件。在圖4中展示了該太赫茲雙功能全息超構(gòu)器件的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果：該器件在不同圓偏振太赫茲光的激勵(lì)下，可在器件透射端焦平面的左右兩側(cè)呈現(xiàn)不同的全息圖像（字母“F”和“D”）。

圖3 雙功能器件的相位分布與SEM圖以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試架構(gòu)和結(jié)果

圖4 全息成像器件SEM圖、相位分布圖以及近場(chǎng)掃描的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果

總結(jié)與展望

周磊教授團(tuán)隊(duì)在此項(xiàng)工作中系統(tǒng)地闡述了利用全介質(zhì)超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)太赫茲高效自旋解耦多功能波前調(diào)控的設(shè)計(jì)方法，并基于成功制備的高深寬比高達(dá)20：1的全硅基超構(gòu)表面樣品，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了具有自旋解鎖的聚焦/偏折雙功能器件和雙功能全息超構(gòu)器件。此項(xiàng)工作可為實(shí)現(xiàn)高效、小型化且多功能的透射式太赫茲器件研究提供新思路和新方法，并為未來(lái)的片上光子學(xué)研究發(fā)展提供更多的可能。

復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系博士后王卓與博士研究生姚堯?yàn)檎撐牡墓餐谝蛔髡?。?fù)旦大學(xué)物理學(xué)系周磊教授和復(fù)旦大學(xué)光科學(xué)與工程系孫樹(shù)林研究員為該論文共同通訊作者。該工作還得到上海大學(xué)通信學(xué)院肖詩(shī)逸教授和復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系何瓊教授的大力支持與幫助。該研究工作獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和上海市科委的項(xiàng)目的支持。

審核編輯：郭婷