基于超表面的太赫兹波广义偏振态分布调控与高分辨成像研究

The modulation of wavefront is quite important in terahertz (THz) imaging, communication, sensoring and so on. Polarization is a fundamental property of THz wavefront, whose spatial distributions can be used to record, process and store information. However, there are no efficient devices to perfectly realize the manipulation of THz polarization in sub-wavelength size, resulting in the scarce of corresponding application in THz imaging, communication etc. This project is aim to design metasurface-based ultra-thin device to realize the controlling of localized polarization in sub-wavelength size . In theory, we study the properties of localized polarization manipulation between incident THz waves and the designed devices, and build the mechanism model to guide the design of the devices. Then, by optimizing the structure parameters, we obtain the generalized polarization distribution of THz wave, that is, a generalized polarization distribution of THz beam consisting of variety of polarization directions (non-radially/azimuthally polarized beam). Furthermore, we encode the image information into the generalized polarization distribution of THz beam, and study polarization-controlled sub-wavelength high-resolution of imaging (non-hologram) and the corresponding transmission characteristic in THz fiber. This project will owns significance in promoting the development of the THz communication, imaging and detection.

太赫兹波前调控是太赫兹成像、通信、传感等技术和应用的基础。偏振作为太赫兹波前的一个基本特性，其空间分布可以应用于记录，处理、储存信息。然而，目前缺乏有效的器件来实现太赫兹波亚波长尺寸的偏振调控，导致其在通信，成像等方面的应用匮乏。本项目拟利用超表面设计超薄的太赫兹波前调控器件，实现均匀线偏振太赫兹波在亚波长尺寸范围的局域偏振调控。在理论上，研究太赫兹波与器件亚波长结构的局域偏振调控特性，构建相应的物理模型指导器件的设计。在此基础上优化结构参数，实现对均匀线偏振入射太赫兹波的亚波长局域偏振控制，即形成一束包含有各种偏振方向的广义偏振态分布的太赫兹波束(非径向/角向偏振波束)。进一步，研究广义偏振态分布波束中植入图像信息，形成基于偏振调控产生的亚波长高分辨成像(非全息成像)，探索其在太赫兹光纤中的传输特性。本项目的研究，对于推动太赫兹通信、成像、探测等领域的发展和应用具有重要意义。

太赫兹波前操控是太赫兹成像、检测等应用的基础。然而，传统太赫兹波前调控器件功能单一，如只能实现单通道偏振和相位调控，严重限制其在信息记录、储存方面的应用；此外，由于无法做到局域偏振调控，所以难以实现太赫兹波的亚波长偏振的调控和高分辨成像等。迫切需要从原理上解决太赫兹波在多通道偏振、相位以及局域偏振的调控、推动太赫兹技术在高分辨成像等方面的应用。本项目基于几何超构表面在偏振和相位上的超强调控能力，发展多通道太赫兹偏振、相位调控和亚波长的偏振调控新方法，设计了一系列超薄太赫兹波前调控器件，实现了太赫兹波多通道偏振、相位和局域偏振调控及高分辨成像。本项目主要成果包括：(1)设计一种线偏振聚焦和偏振可旋转的几何超表面,实现了多通道线偏振太赫兹波聚焦和偏振调控；进一步，实现了正交线偏振态依赖的太赫兹高分辨成像。(2)提出几何位相自旋解耦合的太赫兹超构表面透镜，实现了对左旋圆和右旋圆偏振太赫兹波的同时聚焦和焦深的拉长(即偏振无关的太赫兹长焦深聚焦调控)；进而，实现纵向高分辨、高宽容性的太赫兹成像。(3)借鉴全息成像方法设计了圆偏振不敏感的超表面透镜，实现了三维空间位置任意可控和自旋依赖的多通道的太赫兹聚焦效应—即多维度操控自旋霍尔效应；进一步，实现了自旋相关的高分辨成像。(4)提出了一种基于纯几何相位实现的聚焦涡旋的偏振合成和复用的新方法，实现了偏振无关的聚焦涡旋及偏振可控的多聚焦涡旋的复用。(5)在前期实现偏振和相位调控的基础上，提出线偏振太赫兹波入射下的广义偏振态太赫兹波分布调控的新方法，实现了太赫兹波的局域亚波长调控和广义偏振态分布的太赫兹波束调控；进一步，实现了四通道的高分辨图像的隐藏/编码和输出/解码。本项目从本质上揭示了几何超构表面的太赫兹波多通道偏振、相位调控以及亚波长的偏振控制和高分辨成像。在研究过程中，共发表SCI论文10篇，参加国际学术会议并做报告2次。