超表面太赫兹自旋霍尔元件的研制与表征

As novel optical measurement methods, the terahertz (THz) sensing and imaging technologies have exhibited strong application values on many fundamental researches and industrial fields. Therefore, it is urgent for miniaturation, integration and multi-functions of the THz system. Based on the special modulation of the metallic sub-wavelength structures to electro-magnetic waves, meta-surface THz elements provide a new development direction for increasing the practicability of the THz system. In this project, based on the spin Hall effect of a light, the polarization dependent properties of metallic sub-wavelength structures in the THz frequency range are studied by using the antenna resonance theory and vectorial optical algorithm. Moreover, by using the diffraction optical element design theory, meta-surface THz spin Hall elements are investigated, which possess the multi-angles refraction, multi-focusing, phase hologram, vortex phase plate, and so on. The photetch is used to fabricate these designed meta-surface elements and the THz time-domain sensing and imaging technologies are used to characterize their performances. The achievement of this project will develop the design theory of the meta-surface THz elements. The project will increase the application fields of the THz technology and promote its commercial process.

太赫兹光谱与成像技术作为新兴的光学测量手段，已经在众多科研和工业领域显示了其巨大的应用价值，因此人们对太赫兹系统小型化、集成化、多功能化的需求就愈发迫切。基于金属亚波长结构对电磁波的特殊调制作用，超表面元件的出现为增强太赫兹系统的实用性提供了全新的发展方向。本项目将基于光子自旋霍尔效应，通过天线共振理论和矢量光学算法对金属亚波长结构在太赫兹波段的偏振选择特性进行研究，进而利用衍射光学元件设计方法研制具有多角度折射、多焦点聚焦、相位全息和涡旋相位板等功能的超表面太赫兹自旋霍尔元件。本项目将通过微加工光刻技术对所设计的超表面元件进行制备，并利用太赫兹时域光谱和成像系统对其性能进行表征。本项目的顺利实施，将发展超表面太赫兹元件的设计理论，拓宽太赫兹技术的应用领域，推动太赫兹技术的市场化进程。

太赫兹技术作为新兴的远红外光学检测、通信、调制手段，已经在众多科研和工业领域显示了其巨大的应用价值。当前，人们对实用化的太赫兹系统需求十分迫切，而太赫兹波段基础调制元件的匮乏严重阻碍了太赫兹技术的发展。本项目旨在基于金属亚波长结构对电磁波的特殊调制作用，开发一系列超表面太赫兹调制器件，实现对于太赫兹波前的多功能调制。随着本项目的顺利实施，项目组设计了多种类型的亚波长金属结构，例如棒型、C型、V型、十字型等，将超表面器件的调制效率从2%提高至40%，实现了对太赫兹波的多维度调制，例如振幅、相位、频率、偏振等。在此基础上，项目组利用相位恢复算法，研发了一系列太赫兹超表面器件，实现了对于太赫兹波前的多功能调制，例如偏振复用、空分复用、频分复用、温控器件、光控器件、以及特殊光束模式转换等功能。同时，项目组搭建了一套太赫兹成像系统，实现了对超表面器件的功能表征，对太赫兹表面波的传播过程进行了测定，并利用此系统对不同类型的太赫兹特殊光束矢量衍射过程进行了表征。并且，项目组研究了半导体材料的相干声子动力学过程以及光致载流子的输运过程，为进一步研发可控半导体超表面器件，提供理论与实验指导。本项目的顺利实施，对于太赫兹波段超表面器件的研发起到了极大的推动作用，对于超表面理论的进步、小型化集成化太赫兹系统的开发具有积极意义，为最终将太赫兹系统工程化、商业化奠定基础。