太赫兹波的位置处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，其频率在0.1～10THz(THz=1012 Hz)之间，是电磁波中唯一尚未完全开发的频段。由于太赫兹波有高效的背景发射噪声抑制功能，很好的时间和空间相干性，较低的光子能量，超大的传输容量以及超强的穿透能力，使得太赫兹波在通信、生物传感、成像、非接触无损检测以及材料光谱分析等应用领域具有广阔的应用前景。研究太赫兹技术及其应用必然离不开相应的太赫兹系统；而太赫兹系统一般由太赫兹发射源、太赫兹探测器以及相应的功能器件组成。一个良好的太赫兹系统是进一步推动太赫兹技术及其应用发展必不可少的工具；这就意味着我们需要稳定可靠的高功率太赫兹源，高灵敏度高信噪比的太赫兹探测器和高性能的太赫兹功能器件。目前，高性能、可集成的系统功能器件发展相对缓慢，阻碍了太赫兹技术及其应用化进程--由于太赫兹波的波长较长，传统的太赫兹功能器件都相对庞大，不利于系统的集成和小型化；迫切需要发展高效、新型、超薄的器件。超构表面由亚波长的准二维微结构按照特定的排列方式构成，通过控制超构表面单元结构的大小、形状、和方向等即可以在二维界面处引入相位梯度，进而能够有效的调控电磁波的波前(振幅、位相和偏振)。超构表面为设计超薄、紧凑型的功能器件提供了一类新的解决方案，在小型化、集成化的系统设计方面具有其独特的应用潜力。
超表面(metasurface)这一概念由哈佛大学Capasso教授于2011年首次提出，并巧妙的利用亚波长天线阵列结构(超胞结构)实现了对电磁波波前的调制，验证了广义斯捏尔定律；该研究证实可以利用超薄的平面结构阵列构成各类光学元器件，实现对振幅和相位有效的调控；奠定了二维超薄光学元件的研究基础。但是，此类亚波长天线阵列构造的超表面结构复杂，响应频宽较窄，限制了其发展和应用。
2012年英国伯明翰大学物理系张霜教授研究组提出利用各项异性金属棒单元结构的旋转产生的几何位相(Pancharatnam-Berry Phase)来对电磁波的波前进行精准调控，验证了宽带广义斯涅耳定律和涡旋光束，并掀起了人们对超表面的研究热潮。
2015年A. Arbabi等人提出了全介质型高效、透射式超构表面，设计了椭圆型纳米“波导”并同通过改变其长轴和短轴的尺寸实现对相位和偏振的任意调控；所获得的效率位于72%至97%之间。目前，超构表面相关原理已经应用于设计超薄平面透镜、宽带、消色差透镜、偏振转换器、结构色、彩色全息、轨道角动量产生器等方面；这些研究体现了超构表面强大的波前调控功能，引起了科学界的广泛兴趣。近年来，基于超构表面的偏振、相位、振幅等方面的电磁波波前调控已在光频段和微波及红外波段方面有了较多的综述性报道，而在太赫兹频段相关方面的综述报道较少。近日，上海理工大学太赫兹技术创新研究院的研究人员以” Metasurfaces for manipulating terahertz waves”为题在Light: Advanced Manufacturing发表综述文章。该综述主要总结了近年来太赫兹领域内超构表面波前调控的相关原理，功能设计和应用：以共振型、几何位相型和可调型超构表面为载体，以波前调控所实现的相关功能为主线，总结了超构表面对太赫兹波的聚焦调控、全息产生，偏振调控、特殊波束产生以及可调谐功能等方面的研究工作(如图1所示)。此外，该工作还对未来太赫兹超构表面的应用和发展进行了展望。主要研究内容如下：
一、超构表面波前调控基本原理
共振型超构表面基本原理：介绍了广义斯涅耳定律，给出了梯度相位和折射角以及反射角之间的关系。
几何相位型超构表面基本原理：阐述了圆偏振光的反常反射角/折射角各项异性小棒/基元结构旋转产生的相位(几何相位)梯度之间的关联；给出了各向异性小棒/基元结构旋转角度与(反常反射/折射的)出射圆偏振光所附加的几何相位之间的对应关系。
二、超构表面的应用
1. 超构表面对太赫兹波的聚焦调控
本文总结的太赫兹超构表面的第一个波前调控功能为太赫兹超构表面透镜及成像。通过改变超构表面的结构形状、旋转方向等获得聚焦透镜所需的传播相位/几何相位，实现对入射太赫兹波的相位调控，从而可以设计超薄的“平板”透镜，实现宽带的太赫兹波的聚焦功能(如图2(a, b, c)所示)。同时，结合色散补偿原理可以设计出消色差的太赫兹超构表面透镜(如图2(d, e, f, g)所示)。进一步,通过联合相位调控和偏振调控，将聚焦和偏振旋转功能集成于一块超表面透镜，实现多焦点和偏振可控的聚焦功能并实现偏振依赖的成像等功能(如图2(h, i, j)所示)。
图2 太赫兹超构表面产生的宽带聚焦(a,b,c),消色差聚焦(d,e,f,g)和成像(h,i,j)。
图3 太赫兹超构表面产生的全息(a,b,c)和全息复用(d,e,f)。计算全息技术能够非常方便的记录电磁波的振幅和相位，从而实现任意物体的三维显示；另一方面，超构表面能够通过改变结构单元的取向或尺寸可以灵活的调控电磁波的振幅和相位。将计算全息原理和超构表面波前调控方法相结合，即可有效的实现超构表面全息。如图3(a, b, c)所示为共振型超构表面通过yange 设计“V”型天线的结构和开口方向及角度，实现“C”和“V”全息图像。图3(d, e, f)为通过改变开口谐振环阵列的方向及开口大小，实现左旋和右旋圆偏振太赫兹波的全息复用。
图4 基于太赫兹超构表面的1/2波片(a,b)和1/4波片(c, d,e)。利用超构表面中各个基元的各项异性的特性可以设计超薄、紧凑的太赫兹1/2波片和1/4波片等太赫兹偏振片。如图4(a)所示，为顺时针旋转45˚的各向异性金属天线阵列构成的太赫兹超构表面且太赫兹波沿长轴和短轴的相位差为~π；形成一个主轴相对于x轴旋转了45˚ 的太赫兹1/2波片。所以，当x-偏振的太赫兹波入射时，其反射波为y-偏振的太赫兹波(如图4(b)所示)。此外，如果所设计的各向异性基元长轴和短轴的相位差为~π/2且保持透射率在长轴和短轴方向基本一致的情况下即可实现太赫兹超构表面1/4波片(如图4(c, d, e)所示)。
4. 基于太赫兹超构表面的特殊波束产生
超构表面可以对不同的波前物理参量进行调控，如实现螺旋波前相位，获得太赫轨道角动量等特殊的太赫兹波束。如图5(a)所示，为金属薄膜上构建形状一致方位角各异的空气隙，通过改变各个空气隙的方位角，可以实现不同拓扑荷的近场太赫兹轨道角动量/涡旋(如图5(b）所示)。进一步，通过将一对拓扑荷相反的涡旋波束进行空间叠加即可实现矢量光束，如径向偏振光(如图5(c, d)所示)
图5 基于太赫兹超构表面的近场轨道角动量(a, b)和径向偏振光(c, d)。
四、可调谐太赫兹超构表面
尽管超构表面展现出灵活的波前操控能力，一旦其结构加工成形即只能展现固定的功能(不可调谐)。将超构表面和热可调谐、电可调谐的材料结合或者设计机械可调谐的多个超构表面，则可赋予超构表面实现可调谐功能。如图6(a)所示，为超构表面和石墨烯相结合并控制栅电压，实现了反常折射的“开”和“关”的操作(如图6(b, c))。图6(d)为开口谐振环构建的超构表面结合热可调谐材料(VO2);通过改变该可调谐超构表面所处的温度即可实现全息图像“H”到“G”的转换(如图6(e, f)所示)。
图6 基于太赫兹超构表面的电可调谐反常反射器 (a, b, c)和热可调谐全息(c, d)。
应用与展望
本文总结了近年来超构表面在太赫兹频段的各类波前调控功能，包括超构表面对太赫兹波的聚焦调控、全息产生，偏振调控、特殊波束产生以及可调谐功能等方面的研究工作。未来太赫兹超构表面将可能在以下几个方面存在一定的发展空间：
实现太赫兹超构表面单个基元在[0, 2π]范围相位的单独调控，进而，实现全空间，单个基元的可调谐太赫兹超构表面及其相应的新功能的开发；
开发基于人工智能算法的太赫兹超构表面，解决现有单个超构表面融合多个功能出现的“串扰”问题。
融合多个“超薄”太赫兹超构表面，构建超薄、集成化的太赫兹系统。
文章信息
Xiaofei Zang, Bingshuang Yao, Lin Chen, Jingya Xie, Xuguang Guo, Alexei V. Balakin, Alexander P. Shkurinov, Songlin Zhuang. Metasurfaces for manipulating terahertz waves[J]. Light: Advanced Manufacturing.
论文地址
https://doi.org/10.37188/lam.2021.010
