基于超表面的太赫兹波动态调控器件研究

Terahertz (THz) technology has attracted much attention because it’s important applications in medical imaging, sensing, and high-speed wireless communications. However, the smart devices which can dynamically control the wave-front of the THz wave are scarce at present. Hence, the crucial problem to be solved presently is to develop such devices in the THz region. In this project, optical control devices are fabricated by combining the metasurfaces and optical controlled semiconductors. The electromagnetic response of these semiconductors and metasurfaces under the excitation of the external optical field are experimentally and numerically investigated. The effect of the size, shape, and distribution of the micro-structures on the electromagnetic response of the metasurfaces is numerically demonstrated. It is expected to disclose the physical mechanism of the dynamic modulation of the metasurfaces under the excitation of the external optical field, and to explore the applications of the metasurfaces in all-optical modulators and ultrafast function converters etc. aspects. The achievement of this project will not only realize the possibility of the dynamically control of wave-front of THz wave based on ultra-thin flat devices, but also achieve the application of the devices on communication, ultrafast information technologies, and military dynamic high resolution imaging.

太赫兹(THz)技术在医学成像、传感检测和高速率无线通信等领域具有重要的应用前景。但THz波段动态控制的小型化、高效的光学器件十分匮乏，严重影响了THz技术的广泛应用，因此研制这类器件已成为当前THz领域亟待解决的关键问题。本项目将超表面和光场可控半导体相结合，制作光场可控的超表面，理论和实验相结合研究外加光场作用下此类半导体和超表面的电磁响应特性，掌握微结构的大小、形状和分布影响超表面电磁特性的基本规律，揭示光场控制下超表面特性调控的物理机制，探索超表面在全光调制器、超快功能转换器等领域的应用。本项目的顺利实施将使利用超薄平板光学器件对THz波的波前进行动态调控成为可能，不仅可以应用在通信和超快信息技术方面，还可以用在军事的动态高分辨率成像等方面。

太赫兹波的波长较长，相应的功能器件体积庞大，不利于太赫兹系统的小型化和集成化发展。超表面结构可有效地同电磁波发生相互作用，通过设计其结构参数，可在亚波长尺度内对电磁波的波长、振幅、相位以及偏振态等参量进行有效调控，实现对电磁波谱的裁剪和波前控制。在太赫兹波段，半导体材料的特性在外场作用下可以发生明显的改变，从而改变太赫兹波与器件的相互作用，实现外场可控的太赫兹波段亚波长功能性器件。.主要成果有：.（1）太赫兹平板透镜的动态调制。利用光泵浦—太赫兹焦平面成像技术研究了基于“V”形孔结构平板透镜的动态调制。通过改变泵浦光功率来调谐衬底硅的介电性质，控制了“V”形孔的相位调制，进而实现了平板透镜焦平面光场的动态调制。.（2）亚波长金属结构对太赫兹吸收光谱的调制作用。研究了金属“U”形、“#”形、圆环、非称劈裂环等结构对太赫兹吸收光谱的调制作用，实现了多频带或宽频带太赫兹完美吸收光谱，该成果实现器件的结构简单化和小型化，从而简化器件制作程序，降低制作成本，有利于器件的实用化和商业化。.在该项目的支持下，共发表 SCI论文13篇，申请国家发明专利6项，授权实用新型专利1项，为推动太赫兹系统的小型化和集成化发展奠定了理论和实验基础。