基于全介质超表面的太赫兹功能器件研究

Terahertz science and technology has broad application potential, but faces a practical problem—lack of functional devices. Developing low-loss, high-efficiency, compact terahertz functional devices will definitely greatly promote the development and application of the terahertz science and technology. Previous research on terahertz functional devices are mainly based on metal metamaterials, which have two limitations: (1) their efficiency is quite hard to improve due to the ohmic loss and the loss from the dielectric spacer; (2) the resonant nature of metal structures can hardly solve some difficulties like chromatic aberration. Recently, all-dielectric metasurfaces are proposed. They have advantages of low loss, high efficiency, high design ability, etc., and thus have drawn more and more attentions. In this proposal, we aim to explore high-efficiency, low-loss terahertz polarization control devices, achromatic devices and vector beam generation devices based on all-dielectric metasurfaces. By carrying out in-depth studies on the mechanisms of the interaction between terahertz waves and all-dielectric structures, we will set up the theoretical model, implement experimental measurement and analysis, grasp the design, fabrication, characterization and optimization methods of these terahertz all-dielectric metasurface functional devices, and at last, develop corresponding terahertz functional devices with their performances better than the existing traditional and metal-metasurface-based devices.

太赫兹科学与技术具有广阔的应用前景，但面临功能器件匮乏的现实问题。发展低损耗、高效率、紧凑的太赫兹功能器件，必将进一步推动太赫兹科学与技术的发展和应用。以往太赫兹功能器件研究主要基于金属人工电磁材料，它存在两方面的缺点：（1）受金属欧姆损耗和隔离层介质损耗影响，效率较难提升；（2）因采用金属微结构谐振特性，较难解决诸如消色差等困难。近年来全介质超表面的提出了，因其具有损耗低、效率高、可设计性更强等优点，从而受到人们越来越多的关注。本项目旨在基于全介质超表面，探索高效、低损耗的太赫兹偏振控制器件、消色差器件以及矢量光束产生器件，通过深入研究太赫兹波与全介质微结构相互作用的机理，构建理论模型，开展实验分析测量，掌握基于全介质超表面太赫兹新型功能器件的设计、制备、表征和优化方法的系统研究方法，研制出性能全面超越已存在的传统和金属超表面的太赫兹功能器件。

项目围绕基于全介质超材料的太赫兹功能器件开展了一系列研究，探索了太赫兹波与全介质人工电磁微结构相互作用的内在物理机制，建立全介质微结构控制太赫兹波的理论，模拟仿真方法，高质量样品的制备方法，完善的测量表征系统，实现了一系列宽带、高效率的太赫兹功能器件，对太赫兹波进行偏振、相位、色散、波前等参数的单独或复合调控。.通过设计调控单元中有效几何调节自由度的数目，实现了对太赫兹波从单一参量调控到多参量联合调控的能力拓展：采用圆形硅柱微结构，通过改变圆柱半径这一几何自由度，实现了对太赫兹波相位这一单一参量的高效调控；采用具有半波片特性的矩形硅柱微结构，通过改变结构尺寸和旋转角度这两个几何调节自由度，实现了对交叉出射线偏振太赫兹波振幅和相位的双参量独立调控；通过控制矩形硅柱微结构的各向异性，即长和宽这两个几何调节自由度，实现了对两正交线偏振出射太赫兹波相位的双参量独立调控；通过调控具有半波片特性的矩形硅柱微结构的尺寸和旋转角度这两个几何自由度，又进一步在圆偏振基下实现了对两正交圆偏振出射波相位的双参量独立调控；采用两对硅柱微结构构成的调控单元，通过同时控制两对硅柱微结构的长和宽等四个几何调节自由度来产生不同的干涉叠加效果，实现了对两正交线偏振出射太赫兹波振幅和相位的四参量独立调控等。.基于全介质超材料实现了太赫兹透镜、太赫兹特殊光束产生器、太赫兹偏振控制器等功能器件。相关研究成果在Nature Physics、 Nature Communications、Advanced Materials等期刊发表SCI论文51篇，相关研究成果被国内外同行广泛关注，被相关媒体多次报道。相关研究受邀在专业期刊发表综述性评论，系统介绍太赫兹功能器件发展前沿。项目执行期间，项目组获得国家自然科学基金杰出青年基金1项、重点项目1项、面上项目2项、中国博士后基金2项目；项目组成员获中国光学学会王大珩奖等，培养或正在培养硕士、博士近10名。.通过项目的实施，系统建立了基于全介质人工电磁材料的太赫兹远场调控基础理论和方法体系，构建了太赫兹振幅、相位、偏振及波前调控的理论模型、仿真方法、加工方法、完备的测试系统和方法，研制了滤波、调幅、分束、偏振转换、特殊光束产生等一系列太赫兹功能器件，极大丰富了太赫兹功能器件的大家族，有效解决太赫兹功能器件匮乏的瓶颈，有力支撑了太赫兹的发展与应用。