太赫兹V-形错位超表面异常折射振幅调控研究 
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1 引言
THz波在频谱[1]、成像[2]、无损检测[3]等领域中具有非常重要的应用价值。调制是对信号的振幅[4]、频率[5]或相位[6]进行变更,是THz通信[7]、隐身[8]、成像[9]、光谱[10]等方面必不可少的技术。近年来,THz源[11-12]及探测器[13]的研究得到快速发展,但操控THz的调制器件发展却相对缓慢,这严重影响了THz技术从理论走向实际应用的进程,因此研究和制备THz功能调制器件具有重要意义。
超表面是尺寸处于亚波长尺度下的人工微结构,可在光的传播路径上引入梯度相位,从而操纵光在亚波长下传播[14]。通过设计不同超表面结构的几何参数和排列周期,可以在亚波长尺度下实现光场相位[15]、偏振态[16]和振幅[17]的完全调控。目前,基于超表面结构的偏振转换器件在超结构[18]、光弯曲[19]、平面透镜[20]、圆偏振器[21]、半波片[22]和1/4波片[23]等许多领域都得到了广泛应用。相位调控器件如涡旋光束产生器[24]、涡旋光分束器[25-26]及电磁感应透明[27]的研究也已经引起了极大关注。在光场的振幅调控方面,可以利用几何相位调控光强分布实现全息投影[28-30];以金属作为反射层,通过超表面三明治结构,实现光场入射角无依赖的完美吸收;利用双层超表面实现耦合双向吸收[31-32]。国内外目前已对光振幅的调控进行了许多研究,但振幅的调控大多处于可见光及红外波段。另外,由于存在反射、吸收等原因,交叉偏振折射光存在转换效率低下的问题[33],可以通过改用介质超材料来降低传输损耗,或者使用反射型偏振转换器来提高偏振转换效率[34],因此在THz波段的振幅调制研究具有一定的意义。
本文将超表面用于THz振幅调制:基于V-形梯度超表面相位调控,实现了共偏振透射和交叉偏振异常折射;基于相位干涉原理,通过改变V-形结构周期单元间的错位排列,实现了异常折射光振幅的调节。此研究丰富了相位、偏振态及振幅的调控方式,在THz检测和调控等方面有一定的应用价值。
2 结构与数值模拟
V-形梯度超表面结构如
式中:θ和φ分别为入射角和折射角;ni和nt分别为入射和折射介质的折射率;λ0是入射光的波长;ϕ和Γ分别为入射光与超表面界面接触点处的相位和水平距离,
图 1. 4.3 THz光入射时超晶胞结构单元(插图I)及各单元对应的交叉偏振散射相位、透射率。插图Ⅱ为异常折射在4.3 THz处的传播相位剖面
Fig. 1. Schematic of periodic supercell unit (inset I) as well as cross-polarized scattering phase and transmittance for 4.3 THz incident light. Phase distribution simulation of anomalous refraction at 4.3 THz is shown in inset II
在实际结构设计中,可以通过CST microwave studio 软件设计合适的超晶胞单元结构,使其交叉偏振散射相位从0覆盖到2π,从而得到折射角为φ的异常折射。当4.3 THz的光垂直入射V-形天线时,具体参数选择如下:1~4号V-形天线臂宽为5 μm,厚0.2 μm,臂长从左至右分别是24.0,23.5,20.0,15.8 μm。天线夹角从左至右分别是0°,60°,90°,90°。各单元结构边长为25 μm。5~8号V-形天线分别由1~4号V-形天线顺时针中心旋转90°得到。8个单元构成的超晶胞结构周期为200 μm。在以上参数条件下,单元1~8覆盖的相位为0~2π,相邻单元间相位差为π/4,8个单元对应的透射率相差不大,在20%左右。当沿y方向偏振,频率为4.3 THz的横电(TE)波正入射时,根据异常折射角方程可知,其异常偏折光的折射角为20°。对于该结构的相位分布,CST microwave studio 软件计算结果如
为进一步研究超表面的振幅调控特性,将超表面结构中的V-形结构超晶胞周期单元错位排列,如
式中:IA和IB分别为超晶胞A和超晶胞B异常折射光强,A、B结构相同时有IA=IB=I0,I0为单位光强;Δ为相位差。对于
图 2. 超表面结构示意图(上)及对应的异常折射交叉偏振光在x方向上的电场分布(下)。错开距离:(a)(e) 0;(b)(f) 1/4周期;(c)(g) 2/4周期;(d)(h) 3/4周期
Fig. 2. Metasurface structures (top) and corresponding electric field distributions of abnormally refracted cross-polarized light in x direction (bottom). Staggered distance: (a)(e) 0; (b)(f) 1/4 period; (c)(g) 2/4 period; (d)(h) 3/4 period
当沿y方向偏振,频率为4.3 THz的TE光从结构背面垂直入射时,异常折射交叉偏振光在x方向上的电场分布如
由理论计算可知,对于
3 结构制备
首先采用电子束蒸发镀膜机在100 μm厚的柔性聚酰亚胺膜上沉积0.2 μm厚的铜。然后用匀胶机以4000 r·min-1的转速将正型光刻胶SUN-115P涂覆在铜膜上,旋涂时间为30 s。接着用烘箱在100 ℃下烘烤60 s,利用紫外光刻技术将V-形天线阵列的图案从掩模板上转移到光刻胶表面,再用烘箱在100 ℃下烘烤90 s。随后,将聚酰亚胺膜置于SUN-238D显影液中4 s,再用反应离子刻蚀机刻蚀曝光部分的铜膜,用丙酮浸泡去除未曝光部分的光刻胶,最后得到V-形铜天线结构。
4 特性测量
测量时采用中国科学院上海微系统与信息技术研究所自主研制的THz-QCL(太赫兹-量子级联激光器)作为光源。该激光器支持1.9~5.0 THz的单模或多模输出,并支持连续波和脉冲波操作,脉冲宽度为0.2 μs至直流电,重复频率范围是100 Hz~100 kHz。实验中所使用的工作频率是4.3 THz,输出功率为230 mW。在探测端,采用俄罗斯Tydex公司生产的Golay Cell太赫兹探测器测量脉冲,其工作波长为0.3~8000 μm,光学响应的典型值为105 V·W-1,响应时间为30 ms。入射光是沿y方向偏振的TE光,由抛物镜聚焦后垂直照射在固定于支架上的样品上。Golay Cell太赫兹探测器置于以样品为圆心,半径为25 cm的圆形手动旋转盘上,在xy平面上旋转探测器以检测透射信号,探测器旋转范围从正对样品到偏离样品±30°。为了方便比较本文设计的不同超表面结构对振幅的调制作用,把测量数据进行归一化处理(异常折射光的强度值除以入射光的强度值),结果如
图 4. 对应图3 (a)~(d)归一化透射谱线。插图Ⅰ为异常折射透射的局部放大图
Fig. 4. Normalized transmission curves corresponding to Figs. 3 (a)--(d). Illustration I is partial magnification of anomalous refractive transmission
上述结果表明,基于广义Snell定理,利用相位梯度超表面可实现正常透射光与异常折射光的分离,其中异常折射光的传播方向可通过V-形结构单元的几何参数并依据公式φ=arcsin
5 结论
利用轻薄的柔性基底超表面,在亚波长尺度下通过梯度超表面对光的振幅进行调控。当4.3 THz的TE光垂直入射到所设计的V-形天线超表面上时,可以同时得到正常透射的共偏振光及异常折射角为20°的交叉偏振光。在此基础上,为了实现对异常折射交叉偏振光振幅的调控,利用相位干涉的原理,通过理论计算和模拟仿真,对V-形结构周期单元间的错位进行了排列设计。实验结果表明,当V-形结构周期单元间横向错开距离为0,1/4,2/4,3/4周期时,测量得到的异常折射光强分别为入射光强的3.6%,1.7%,0.17%,1.9%。研究结果丰富了相位、偏振态和振幅的调控方式,对进一步促进超表面结构在THz检测、调控等领域的实际应用具有一定意义。
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