动态调控太赫兹波前的石墨烯超构表面器件

图1 动态波前调控的全局调谐石墨烯超构表面器件示意图

1. 导读

动态控制太赫兹（THz）波前在传感、成像和无线通信等太赫兹技术中发挥着至关重要的作用，近年来引起了广泛关注。然而，由于自然材料与太赫兹波之间微弱的响应，传统的太赫兹设备通常体积庞大且功能有限，更不用说让器件主动可调后带来额外的复杂性了。为此，科学家们引入超构表面的概念，尝试用超构表面与有源器件进行结合并通过局域调控方式点对点地调控每个人工原子的相位，去实现对电磁波波前进行动态调控，并在微波段实现了一系列电磁波波前调控的现象，如波束扫描、编码全息成像、动态成像等。但由于器件的限制和系统的复杂度，这种局域调控方式在高频段（太赫兹、光频）很难实现。

鉴于此，上海大学通信学院肖诗逸教授联合复旦大学物理学系周磊教授，提出了一类新型石墨烯加载的太赫兹波控器件（graphenemeta-device）来实现对太赫兹波的动态调控。与现有的“局域”调控手段不同，通过在几何相位超构表面中加载单层石墨烯并连接“全局”外部电压，就能实现在两个具有不同远场散射行为的自旋分量间进行动态的选择和切换。研究团队基于耦合模理论，阐明了“全局”调控背后的物理机理来源于各向异性的吸收诱导相变，并实验演示了一个太赫兹波束方向切换器件验证了这样一个“全局”调控的方式。此外，还演示了一个空间极化动态演化的矢量光场生成器件。

该研究成果不仅为实现太赫兹动态波前调控提供了替代方案，并在未来可能会激发许多在基础研究和实际应用方面的研究工作（如可调太赫兹波片，太赫兹波束切换器件，矢量光束编码通信等）。

2. 研究背景

太赫兹波由于其在通讯、雷达、安检成像、生物及化学检测等方面具有重要的应用价值，近来引起了研究人员的广泛关注。除了太赫兹源、太赫兹探测器，能够动态调控太赫兹波前的紧凑设备在这些应用中也有着迫切的需求。然而传统太赫兹器件通常面临着尺寸大、功能单一等问题，而有效的动态调控手段的缺乏使得“主动”的太赫兹器件就更加缺乏和难以实现。

最近，超构表面的快速发展为实现对电磁波波前的动态调控提供了可能。作为由亚波长人工原子通过特殊宏观序列构成的超薄超材料，超构表面对电磁波波前调控展现出强大的调控能力。自超构表面发展以来，研究人员们已经展示了许多令人着迷的现象，如波束偏折、极化调控、光子自旋霍尔效应和全息成像。特别是最近，研究人员们又将静态调控推广至了动态调控。通过将各类连接外部激励的有源元件（如PIN二极管、变容二极管）集成在亚波长人工原子中，并通过局域调控方式点对点地调控每个人工原子的相位，研究人员们已经在微波段实现了一系列电磁波波前动态调控的现象，如波束扫描、编码全息成像、动态成像等。这样一个局域调控的方式是基于惠更斯原理实现电磁波动态调控最直接的方法。然而，这样传统的局域调控方式在高频段（太赫兹、光频）非常难以实现，关键问题在于：首先，这类有源元件的尺寸通常都是毫米级的，由于尺寸限制，难以应用在高频段（微米及纳米级）的超构表面器件中；其次，这样一个调控方式局限在对人工原子点对点的相位调控，使得在微波段的超构表面系统已经较为复杂，在高频段就更加难以实现。因此，如何突破局域调控的限制，寻找新的自由度简化现有的电磁波动态调控体系，是当下面临的重要科学问题。

3. 创新研究

针对上述挑战，研究人员提出了一类新型基于全局调控方式的石墨烯太赫兹波前调控器件来实现对太赫兹波波前的动态调控。与现有的“局域”调控手段不同，研究者通过在几何相位超构表面中加载单层石墨烯并连接“全局”外部电压，实现了在两个具有不同远场散射行为的自旋分量间进行动态的选择和切换（见图1）。研究者将单层石墨烯（graphene）加载在金属-介质-金属（MIM）的反射式矩形结构人工原子上，通过顶栅偏压的方式对石墨烯的载流子浓度进行调控，充分利用石墨烯吸收的自由度来调制人工原子的各向异性。并且，研究者基于耦合模理论对人工原子的电磁响应进行分析，揭示了背后的物理机理来源于各向异性的吸收诱导相变（见图2）。

图2 人工原子的设计、实验表征和工作机理

团队基于上述人工原子设计了一个太赫兹波束方向切换器件，其中两个自旋分量分别具有预先设计的两种不同的远场散射行为，实验结果图中可以看出，在左旋圆极化电磁波以入射角50°入射下，随着外加电压从V_ext=0V变化到V_ext=5.5 V，器件的反射波束也从-7.3°出射的异常模式变化到50°出射的正常模式（见图3）。实验结果与理论预期吻合良好。

图3 太赫兹波束方向切换器件实验结果

团队又进一步通过数值模拟演示了一个空间极化动态演化的矢量光场生成器件。仿真结果图中可以看到，在左旋-1阶拉盖尔高斯光入射下，随着器件外加电压的增加，由于两个自旋之间的干涉，在远场处生成了新的波前，器件产生的矢量涡旋光束的局域极化分布逐渐从左旋圆极化向柱极化，再向右旋圆极化演化，这样一个演化使得产生的矢量涡旋光束的极化分布足以覆盖整个庞加莱球。模拟结果与理论预测有着非常好的一致性。

图4 矢量光场生成器件的模拟结果

4. 应用与展望

研究团队提出的基于全局调控方式的石墨烯太赫兹波前调控器件将为实现太赫兹动态波前调控提供了替代方案，并可能会激发未来在基础和应用研究方面的许多工作（例如，太赫兹雷达、矢量波束编码通信、可调自旋霍尔动量转移等）。

该研究成果以“Gate-tuned graphene meta-devices for dynamically controlling terahertz wavefronts”为题发表在Nanophotonics期刊。

上海大学肖诗逸教授，复旦大学周磊教授为论文共同通信作者，上海大学博士研究生李秋实，蔡晓东，复旦大学博士研究生刘通为论文的共同一作，对论文具有突出贡献的合作者还包括复旦大学张远波教授，复旦大学何琼教授。