太赫兹波段的低串扰角度复用超表面的研究

With the realization of high-efficiency unifunctional metadevices and the request of system integration and minimization, wavelength-multiplexed and polarization-multiplexed multifunctional metadevices have become one of the hot topics in recent years. Angle, similar as wavelength and polarization, can serve as another type of information channels to enable angle-related complicated functionalities such as multi-directional imaging, aberration adjustment and stray light control. However, due to the strong correlation of the electromagnetic responses among angles, crosstalk becomes the bottleneck of the development of angle-multiplexed metasurfaces..In this project, by breaking the local periodicity approximation and the limitation of the unique supercell composition, we utilize the large-scale inclusions to maximize the freedom of the geometry and to diversify the light-matter interactions, which offers a new way for crosstalk noise reduction. Utilizing the combined analysis platform of the electromagnetic simulation and the optimization algorithm, we explore the new mechanism of low crosstalk angle-integrated wave manipulation in the planar microstructures, and design the angle-dependent multi-channel beam deflectors with experimental demonstrations, which is of great significance to the development of integrated functional devices in THz communications, radar and security imaging systems.

随着单一功能超表面器件的高效率实现，以及人们对系统集成化和小型化的不断需求，基于波分复用和偏振复用的多功能超表面成为近年来的研究热点。角度作为波长和偏振态以外的另一电磁波属性，同样可以作为功能信道赋予超表面多方位成像、像差调节、杂散光抑制等角度相关的复杂波束操控能力。然而由于不同角度的电磁响应关联性强，串扰噪声成为制约角度复用超表面发展的瓶颈。. 本项目通过突破局域周期近似和单一超级晶胞的限制，采用大尺度单元实现结构自由度的最大化，丰富光与物质相互作用的内涵，为降低角度信道的串扰噪声提供新思路。搭建电磁仿真与优化算法的联合分析平台，探索在平面微纳结构中实现低串扰的角度集成波束操控的物理机制，理论设计并实验论证太赫兹波段的多角度信道波束偏折器，对太赫兹通信、雷达、安检成像等应用系统中的功能集成器件的发展具有重要意义。

鉴于超表面对电磁波的振幅、相位、偏振等参数的精准强大的空间调控能力以及市场需求的不断增加，人们已经不满足于单一功能的超表面器件，实现多功能集成对于提高信息处理能力和促进系统的小型化具有重要意义。本项目采用入射角度作为功能复用的维度，以太赫兹波段为切入点，研究不同入射角度下实现独立波束操控的理论基础和可靠技术途径，通过建立增大波束操控自由度的理论机制，实现了角度信道间的有效噪声抑制以及高效率的大梯度波前调控和功能复用，相关重要结果总结如下：.1..建立了打破局域周期近似、以超波长晶胞单元丰富电磁模式，进而提高波束操控自由度的理论体系。采用超波长晶胞构成的超光栅结构，论证了N(N>1)个波导模式的相互作用可高效率实现对N级衍射波的有效调控，其操控自由度远大于1个波导模式的亚波长单元控制0级衍射的传统设计。基于此理论先后实现了对正入射太赫兹波束高达80度的反射式和透射式方向偏折，理论和实验论证了效率高于80%的超光栅偏折器，可通过频扫实现波束方向的动态控制，大大拓宽了波束扫描的空间范围。.2..以模式理论为基础，研究了微结构光栅角度色散的来源，提出了通过控制光栅模式数目调节角度色散的新方法。利用光栅模式数目随入射角度的变化关系先后设计并实验论证了0.14 THz角度无关的零色散偏振转换器件以及角度复用的多功能偏振转换器件。后者可随入射角度的逐渐增大，先后实现线偏振至左旋圆偏振、正交线偏振、右旋圆偏振的动态转化。并进一步设计及实验论证了随入射角度变化的动态调焦超透镜。采用大尺度超光栅理论实现了4角度下的独立波束偏折操控，信道间隔15度，信道串扰噪声小于10dB, 波束偏折效率大于40%。.3..将角度色散调控的理论基础拓展应用于频率色散调控，通过控制不同频率下微结构光栅内的模式数目，打破了相位延迟与频率的线性关联关系，实现了双频段偏振和相位的独立操控。器件具有插入损耗小和平面化、低成本的优势。