用于桥接自由空间与波导中太赫兹波的多功能超表面

《Advanced Physics Research》：Multifunctional Metasurfaces for Bridging Terahertz Waves in Free Space and Waveguides

　　

超表面与传输器件（如波导）集成，能够实现对导波的灵活调控，并显著提升太赫兹（THz）系统的集成度。本文提出了一种多功能太赫兹超表面，该超表面能够同时实现正交偏振转换与相位调制。通过将其贴附在介质板波导上，成功实现了从自由空间波到导模的高效耦合。进一步地，研究人员通过在超表面上构建定制的相位梯度，成功演示了在波导内形成聚焦光斑。实测的聚焦结果与仿真结果吻合良好。该多功能超表面为将自由空间太赫兹波转换为导模提供了一种新策略，对于集成太赫兹光子器件的发展具有重要价值。

**研究背景与问题**
太赫兹（THz）波因其独特的频谱特性和宽带宽，在下一代通信技术、非接触传感和生物医学检测等领域展现出显著的应用潜力。超表面是一种人工设计的二维材料，不仅具备强大的电磁波调控能力，而且因其轻薄、灵活的设计特性，有助于实现太赫兹调制系统的小型化与集成化。超表面已成为自由空间波控制的强大工具，能够实现聚焦、全息、涡旋波束产生及高分辨率成像等高级功能。除了自由空间波控制，超表面还具备激发表面等离子体（SPs）的独特能力。然而，利用这些超表面将自由空间中的太赫兹波高效转换到介质波导内的导波，仍是一个挑战。

为解决这一问题，研究人员提出了一种基于金属-介质-金属（MIM）结构的太赫兹超表面，旨在通过正交偏振转换和相位调控，将太赫兹波从自由空间耦合到介质板波导中。相较于用于偏振转换的单层超表面，所提出的MIM结构展现出更高的偏振转换效率。通过调控超表面的结构参数，相位控制可以覆盖0到2π的范围，从而实现多功能波前操控。重要的是，该超表面可以方便地贴附到介质板波导上，无需复杂的蚀刻工艺。此外，自由空间中的太赫兹波通过超表面耦合进入介质波导，并同时携带会聚的球面波前，从而在波导内实现聚焦。该研究为发展集成太赫兹光子器件、太赫兹生物光子学和太赫兹波导技术提供了新的策略。

**关键技术方法概述**
本研究主要采用了以下关键技术方法：首先，利用商用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics进行全波数值模拟，优化设计了基于C形开口铜环和铜光栅的MIM超表面单元结构，实现了高效率的偏振转换和全相位覆盖。其次，器件制备与集成方面，采用商用双层柔性印刷电路技术制作超表面样品，该样品以聚酰亚胺（PI）为基板，两面覆盖铜层并图案化，最后进行防氧化封装。波导采用高密度聚乙烯（HDPE）板，通过线切割在预设焦点位置制作了一段薄波导用于信号引出。最后，实验测试部分，使用中心频率为0.14 THz的雪崩渡越时间二极管作为源，通过太赫兹相机探测经波导端面辐射出的聚焦光斑，验证了仿真结果。研究中使用的超表面样品为40 mm × 40 mm尺寸。

**研究结果详解**
**超表面单元设计与特性**：研究人员设计了由C形开口铜环和铜光栅组成的MIM超表面单元结构。通过系统扫描C形环的关键几何参数（线宽l、角度α、开口方向θ），并考虑θ沿x轴镜像对称变化时相位差π的特性，最终确定了8组不同的结构参数。这8组单元结构能够在保持约75%的高偏振转换效率（归一化交叉偏振透射率I_y/I₀）的同时，覆盖0到2π的完整相位范围，相邻单元间的相位差为π/4。其效率远高于单层各向异性超表面的理论极限。

**从自由空间波到导波的耦合机制**：当x偏振的太赫兹波垂直入射到波导表面时，若无超表面，其偏振方向与导波的传播方向（x方向）平行，产生偏振失配，无法耦合。集成超表面后，一部分入射波被转换为y偏振波并引入附加相位。当沿x方向的相位分布与导模的相位分布匹配时，导模被激发，太赫兹波便能在波导内传播。

**波导内聚焦的实现**：在实现有效耦合的基础上，研究人员通过超表面在导模上叠加额外的会聚相位波前，以实现导波的聚焦。预设焦距f = 20 mm。通过排列8组量化后的超表面单元，构建了所需的相位分布。仿真显示，y偏振导波在波导中心平面内形成了焦点，其半高全宽（FWHM）为1.01 mm（约0.47λ），转换效率（焦点平面上y偏振聚焦波与自由空间入射x偏振波的功率比）约为17.6%。

**实验验证**：将制备的超表面样品通过聚二甲基硅氧烷（PDMS）透明粘合剂贴附于尺寸为40 mm × 60 mm × 0.9 mm的HDPE波导上。在预设焦点位置，额外集成了一个尺寸为20 mm × 2 mm × 0.9 mm的薄波导，用于将聚焦的太赫兹波导出并由相机探测。实验使用0.14 THz的二极管源，测得从薄波导端面辐射出的光斑轮廓近似圆形，中心亮度最高。由于波导-空气界面的折射反射以及空气中的额外传播，测得自由空间中的光斑FWHM约为3 mm，大于波导内的仿真值。

**讨论**：尽管所提出的超表面展示了高效的耦合与聚焦能力，但仍存在实际限制。该器件在0.14 THz中心频率处具有约11%的谐振带宽，这固有于高效的MIM结构，可能限制其在宽带场景的应用。未来可通过低品质因数（low-Q）设计等方法增强带宽。此外，尽管聚酰亚胺封装在环境条件下能提供有效的抗氧化保护，但其在复杂环境条件（如湿度和温度循环）下的长期耐久性仍需进一步研究。这些讨论为未来改进器件鲁棒性和实用性提供了明确方向。

**结论翻译**：综上所述，研究人员提出了一种MIM超表面，该超表面能够同时实现正交偏振转换与相位调控，从而有效地将自由空间太赫兹波耦合到介质板波导中的导模。同时，导模的波前可以被灵活控制。作为示例，研究演示了在波导内对导模的聚焦。这种超表面为自由空间太赫兹波与介质板波导中受限导模之间架起了桥梁，在太赫兹集成光子器件、太赫兹生物光子学和太赫兹波导技术中展现出巨大潜力。