天津大学：利用全介质超材料操纵太赫兹的偏振态

偏振是电磁波的基本特征之一。它能在灵敏测量和信号传输中传递有价值的矢量信息，是环境监测、生物医学和海洋探测等多个领域的一项前景广阔的技术。特别是在太赫兹频率范围内，传统的器件设计方法和结构只能实现有限的性能。为高带宽太赫兹波设计高效的调制器器件是一项重大挑战。

天津大学吴亮教授领导的研究人员一直在进行全介质超材料领域的实验，尤其侧重于利用这些材料及其结构设计来实现太赫兹频率范围内有效的宽带偏振转换。

他们提出了一种十字形微结构超材料，用于在太赫兹频率范围内实现交叉偏振转换和线性到圆形的偏振转换。这项题为 《An all-silicon design of a high-efficiency broadband transmissive terahertz polarization convertor》的研究发表在《Frontiers of Optoelectronics》上。

图1: 设计的十字形微观结构示意图。a.  拟议的转换器示意图。b.  微观结构立体图。这里，h 代表高度；H 代表衬底厚度；a-d 代表长度和宽度；P 代表周期；θ 代表十字形次轴与 x 轴的夹角；t 代表高阻硅的长度。资料来源：Xiaohua Xing 和 Die Zou等人， 《An all-silicon design of a high-efficiency broadband transmissive terahertz polarization convertor》，《Frontiers of Optoelectronics》（2023）。

图2：偏振转换器的模拟结果。最佳参数下十字形微结构的a 透射率和 b PCR。黄色区域表示在此频率范围内 PCR 超过 80%。c.  该器件作为四分之一波片在不同入射偏振波下的性能。黄色区域表示 χ ≥ 80%。此处，a = 30 μm；b = 80 μm；c = 30 μm；d = 40 μm；h = 180 μm；P = 80 μm；H = 500 μm。资料来源：Xiaohua Xing 和 Die Zou等人， 《An all-silicon design of a high-efficiency broadband transmissive terahertz polarization convertor》，《Frontiers of Optoelectronics》（2023）。

在 1.00 至 2.32 THz的宽频率范围内，交叉线性波的平均转换效率超过 80%，最高转换效率峰值达到惊人的 99.97%。此外，所采用的结构还有利于从线偏振到圆偏振的转换，在 0.85 THz时椭圆度为 1。

图3：a-c 设计结构在不同入射角的透射率和 PCR。这里，a 和 b 表示不同入射角对 x 和 y 方向太赫兹波透射率的影响。c.  表示不同入射角对 PCR 的影响。d-f 不同衬底厚度下的透射率和 PCR。d, e 代表不同厚度下 x 和 y 方向的透射率。f 代表不同厚度下的 PCR。红色区域越宽，器件性能越好。资料来源：Xiaohua Xing 和 Die Zou等人， 《An all-silicon design of a high-efficiency broadband transmissive terahertz polarization convertor》，《Frontiers of Optoelectronics》（2023）。

研究人员的这项工作还为设计其他能够进行宽带、高效和多偏振模式操纵的超材料提供了宝贵的见解。

图4：a, b 表示带有 ME 结构的微观结构。l：高度；D：直径。c. ME 结构对透射率和 PCR 的影响，实线表示无 ME 结构的装置，虚线表示添加 ME 结构的装置。红色区域表示 PCR 超过 80%。资料来源：Xiaohua Xing 和 Die Zou等人， 《An all-silicon design of a high-efficiency broadband transmissive terahertz polarization convertor》，《Frontiers of Optoelectronics》（2023）。

参考论文：Xiaohua Xing 和 Die Zou等人，《An all-silicon design of a high-efficiency broadband transmissive terahertz polarization convertor》，《Frontiers of Optoelectronics》（2023）。