基于石墨烯的位相可调太赫兹超表面器件的设计研究

The lack of devices limits the development of THz technology. Metasurfaces, which are ultra-thin and easy-design modulators, provide new solutions for this problem. However, the metal or dielectric based metasurfaces are difficult to be tuned once they are fabricated. Some tuning mechanisms based on phase-change materials or field-effect transistors have been proposed, but they suffer low tuning speed or the limit that cannot be applied in THz frequencies. Graphene, which is a new tunable photonic material, can be used to realize fast tunable THz metasurfaces with traditional metasurface structures. Current devices were designed for intensity tuning, we will focus on phase tuning in this project. We will propose theoretical model for metallic antenna and graphene hybrid structures, study the phase tuning mechanism and limitations for the structures, propose design methods based on optimization algorithms and fast full wave simulation algorithms, propose metasurface structures with deep phase tuning depth and high diffraction efficiency, and realize the fabrication and characterization of the devices. This project may provide theoretical analysis and design methods for THz tunable metasurface devices.

太赫兹波段光学器件的缺乏是限制太赫兹技术发展的主要因素之一。超表面作为近年来新兴的超薄且设计自由的波前调制器件，为解决这一问题提供了新的方法。然而，基于金属或介质材料的超表面器件难以实现外部的主动调制，大大限制了这类器件的实际应用。现有基于相变材料或者场效应管的调制机制存在着调制速度慢，不适用于太赫兹波段的问题。石墨烯作为一种新型的可调光子材料，有望同传统超表面器件结合实现快速电调制的太赫兹超表面器件。现有该类器件大多基于强度调制，本项目将开展基于石墨烯的位相可调太赫兹超表面器件的设计研究。建立金属天线和石墨烯复合结构的理论分析模型，研究位相调制的机制和限制因素，提出基于优化算法的可调超表面设计方法和快速全矢量仿真方法，提出大位相调制幅度，高衍射效率的超表面结构，设计相关的可调太赫兹功能器件，并完成器件的加工制作和表征。为太赫兹波段的可调超表面器件提供理论基础和设计方法。

太赫兹波是频率介于微波和红外光之间的电磁波。该波段在6G无线高速通信、生物医学、环境监测以及安全检测等领域具有广泛的应用前景。由于很多光学和微波调制材料不适用于太赫兹频段，因此目前太赫兹技术发展受限于调制材料和器件。近年来，基于人工设计的由介质或金属光学天线阵列构成的超表面为解决这一问题提供了新的思路。通过微结构和太赫兹波的相互作用，人们可以设计出具备自然界中不存在的电磁特性的材料，以弥补太赫兹电磁调制材料的不足。然而，目前大多数太赫兹超表面器件都不具备可调性，无法实现波前的动态调制。在已提出的主动太赫兹超表面中，基于二极管的可调超表面制造难度和加工成本较高，其他基于光控或热控的调制机制则无法实现快速调制。.本项目采用二维材料石墨烯和金属微结构组成的动态超表面实现太赫兹波前位相的电控调制。通过实验验证了该复合结构可用于具有阵列结构的太赫兹波前调制器的可行性，调制速度可到~30MHz量级。针对石墨烯同太赫兹波相互作用弱，调制深度小，器件效率低的问题，通过引入F-P共振腔及天线结构设计加强了太赫兹波同结构的耦合作用，使效率提高了1.8倍。实现了1.22π的位相调制深度和5×5的独立像素调制的太赫兹位相可调超表面。.针对二维材料设计中仿真计算内存占用大的问题，提出了适用于石墨烯等二维材料的边界元电磁仿真计算方法，并完成了程序编写。针对半径为60nm的平面石墨烯圆盘及突起结构，采用边界元算法划分116个面源获得了与FDTD算法相吻合的结果。占用内存为1.6G。.此外，发现了采用激光诱导石墨烯技术获得的多孔石墨烯对太赫兹波有良好的调制作用。开发了基于振镜和远心场镜的激光诱导石墨烯太赫兹超表面快速加工系统，加工精度可到30微米。加工1.5cm×1.5cm的超表面仅需用时33.5秒。.该研究可应用于基于太赫兹波通信的波束赋形、太赫兹成像于检测、等领域。也可为实现快速、低成本太赫兹波调制器的加工制作提供新的方法支撑。