基于“金属-石墨烯”混合超表面的可调谐THz极化器研究

Metasurface can freely manipulate the phase and amplitude of electromagnetic (EM) wave by modified the forms, the parameters and the directions of unit cell, and then abnormal reflection and refraction can be realized at the interface between metasurface and freespace. Therefore, the metasurface becomes one of the hotspot in physical field. In this project, we plane to study the EM characteristics of hybrid metasurface and its application in tunable polarization converter in THz frequencies. By using theoretic and simulation methods, we will investigate the physical mechanism of hybrid metasurface manipulating the EM wave. Then, we also investigate the tunable characteristics of the polarization converter comprised of hybrid metasurface. Based on these researches, we further design and fabrication the polarization converters to demonstrate their performance. The research results of this project will provide theoretical and experimental foundation for developing tunable polarization converter in THz regime.

超表面能够通过改变自身结构单元的形式、结构单元的参数以及结构单元的取向，自由调控电磁波的相位和幅值，从而实现电磁波的异常反射和透射，因此成为当今物理学研究的热点领域之一。本项目拟开展“金属-石墨烯”混合超表面结构在THz极化转换器中的应用研究，利用石墨烯电导率可调谐的特性，探索极化器件工作频率可调谐、极化转换功能可切换的实现方法。采用理论分析、模拟仿真以及实验研究相结合，研究不同结构单元构建的“金属-石墨烯”超表面对电磁波相位和幅值的调控机理。并由此研究石墨烯对“金属-石墨烯”超表面极化器工作频率和极化功能的调谐特性。在此基础上，制备实验样品，并对器件性能实验检测。本项目的研究将为探索发展新型可调谐的THz波极化器提供理论基础和技术支撑。

超表面能够通过改变自身结构单元的形式、几何参数以及排列方式，自由调控电磁波的相位和幅值，从而实现对电磁波的异常反射和透射，因此成为当今物理学及信息领域的热点研究领域之一。在高性能功能器件方面，超表面具有广阔的应用前景。极化器是通信、成像等领域内不可替代的功能器件。超表面极化器具有损耗低、结构简单、易加工、易集成等优点，但是当器件的结构确定后，其功能将不能改变，使其应用非常受限。.为了解决超表面极化器功能不可调谐的问题，本项目对微波/THz频段的可调谐超表面极化器进行了详细研究。提出在超表面单元内部嵌入变容二极管或者电导率可调谐的石墨烯，探索利用压控元件及石墨烯实现功能可重构极化器的实现方法。采用理论分析、模拟仿真及实验研究相结合的方法，研究了变容二极管/石墨烯对超表面极化器功能的调谐机理。主要从下述三个方面开展了研究工作：.（1）数值分析了单层、多层石墨烯的电导率受偏置电压的调控特性，并提出了蝶形“金属-石墨烯”超表面功能可重构极化转换器，研究了石墨烯偏置电压对器件功能的调控机理。在此基础上，进一步研究了石墨烯的层数对器件功能的影响规律。结果表明：采用多层石墨烯，能在低偏置电压情况下实现线极化偏转到线-圆极化转换功能的切换。.（2）研究了多层石墨烯的偏置电压对电磁波相位的调控机理。在此基础上，提出了“石墨烯超表面-介质板-多层石墨烯反射板”的三明治反射型极化转换器。研究了器件对电磁波极化特性的调控机理及石墨烯的偏置电压对器件功能的调控特性，极大拓展了器件工作频率调谐带宽。.（3）在微波频段，研究了功能可重构的极化转换器件。通过在蝶形超表面的单元结构内部加载变容二级管，实现了器件的功能可重构。提出修正金属地板结构，使其既作为金属反射板，又为变容二极管提供直流偏置线，极大简化了器件的结构。.本项目的研究结果对高性能微波/THz频段的功能可重构超表面极化器的发展和设计具有一定的推动作用和指导意义。