太赫兹频段的可编程电磁超表面研究

As an efficient tool for manipulating electromagnetic waves, tunable metasurfaces attracted a lot of research attentions in recent years. Although tunable metasurfaces in gigahertz band are almost mature, current techniques are not advanced enough for allowing flexible control of individual elements and macro functions of terahertz metasurfaces. .The project will exploit photo-conductivity to realize programmable metasurfaces in terahertz band. Spatially modulated laser pulses induce graph patterns of terahertz metasurfaces on surfaces of semiconductor materials. Due to the controllability and accurate property of projected patterns, elements of terahertz metasurfaces can be tuned individually and macro function of terahertz metasurfaces can be configured freely, thus overcoming the drawbacks of current tunable metasurfaces in terahertz band. .To this end, we will use knowledge of metamaterial, computational electromagnetics, optics, and semiconductor physics to research the following contents: accurate projection of graph patterns of terahertz metasurfaces, multi-physics phenomena involved in the interaction of light-induced metasurfaces and terahertz pulses, design method of programmable terahertz metasurfaces based on photo-conductivity, and experimental verification of the proposed metasurfaces. The project will serve as providing general method and platform for manipulating terahertz waves, thus it is of significant value in both theoretic and application meaning.

作为操控电磁波的有效工具，可调超表面近年来吸引了大量的研究关注。虽然微波频段的可调超表面已渐趋成熟，但现有技术水平尚无法在太赫兹频段实现对超表面任意单元的控制和对超表面整体功能的灵活配置。.本课题拟以光导现象为基础，使用空间调制的激光脉冲在半导体材料上投影编码图形阵列，形成太赫兹频段的可编程超表面。利用投影图形的高精度可调性使超表面具有各个单元独立可控、整体功能可重新配置的性质，克服现有可调太赫兹超表面调控自由度低、可配置性差的缺点。.为此，课题将结合超材料、计算电磁学、光学、以及半导体物理等方向，研究以下内容：探索太赫兹超表面的编码图案的精确投影方法，研究光致超表面与太赫兹脉冲作用期间的多物理过程，给出基于光导现象的太赫兹可编程超表面的设计方法，并实际验证该新型超表面的性能。课题将为太赫兹电磁波的操控提供具有通用性的方法和平台，具有重要的理论意义和应用价值。

近年来，太赫兹频段的可重构电磁超表面以其在高容量无线通信、环境参数传感、无损检测、材料光谱分析、雷达和生物医学成像等方面的潜在应用价值吸引了研究者们的极大关注。虽然在文献已经报道了数项有关太赫兹可重构超表面的工作，但它们在实用性、非易失性、调控自由度等方面仍有不足。鉴于此，本课题研究单元独立可控的太赫兹超表面，目的是通过计算机程序进行非易失性的功能编程，进而实现对太赫兹场分布的复杂控制。.围绕上述目标，课题采用了以脉冲激光改变非易失相变材料的介电参数，从而对超表面单元的功能状态进行编程的技术路线。为此，实际搭建了由纳秒脉冲激光、聚焦扩束组件、空间光调制器、以及二维精密电动位移台构成的光学系统，解决了激光的空间-时间调制以及聚焦问题，在厘米级尺度上实现了微米级精度的空间结构光投影。利用该系统研究了空间结构脉冲激光对相变材料的触发，在预先制备的相变材料超表面上完成了单元编码状态的擦写，并通过实验测量验证了超表面功能的重构。并且，课题还在太赫兹超表面阵列单元编码排布的综合方面开展了一系列工作，创新性地将计算电磁学相关技术融入超表面的设计中，提出基于大规模非线性相位优化的惠更斯超表面综合理论框架，以高能量效率实现对电磁场空间分布的全状态操控，有效地解决了传统设计方法在无源性保证上的缺陷，开拓了应用纯相位超表面调控电磁场空间分布的全新思路。