1.3.2 太赫兹超表面器件的研究进展
随着太赫兹波产生和探测技术的发展，太赫兹功能器件也成为构建各种太赫兹通信、成像、传感系统的关键环节。大多数天然材料在太赫兹波段的电磁响应很弱，且太赫兹波长较长，导致传统器件结构笨重、功能有限，超表面这类基于人工结构的紧凑型器件就成了太赫兹功能器件的主流发展方向。通过对太赫兹波的偏振、相位、振幅等基本参量的操控，可以实现各种复杂的波束控制。下面分别从偏振控制和波前控制两个角度概述太赫兹超表面的一些代表性研究成果。
依靠人工单元结构的各向异性，超表面表现出远超天然材料的双折射系数，从而通过控制两个正交偏振分量之间的相位差实现不同偏振态的转换。微波和可见光波段的研究已经表明，基于H形、十字形等各向异性金属结构的超薄超表面可通过结构参数的调整实现各种偏振转换功能。同时，为了提高能量利用率，将金属结构层与金属反射背板相结合，可实现高效率的反射式偏振转换。但是，这种正交偏振分量的相位差来源于正交方向上单元谐振频率的差异，其谐振本身极大地限制了带宽[12]，这一问题同样存在于太赫兹超表面中。2013年，Grady等采用两层正交金属线栅中间排布金属条的方式实现了宽带的透射式半波片，结构如图1.8（a）所示[55]。中间的金属条起偏振转换作用，两端的金属线栅构成谐振腔，使太赫兹波多次经过金属条以获得宽带的偏振转换效果。通过在硅衬底上刻蚀亚波长光栅或使用由纸张构成的亚波长光栅，可以实现基于等效双折射媒质的偏振转换，且具有一定的工作带宽[56-57]。在此基础上，本书作者所在课题组采用介质光栅和金属线栅结合的双层超表面[58-59]、梯度渐变光栅超表面[60]及液晶—光栅复合超表面[61]等结构，在获得大的等效双折射系数的同时实现了对相位差的色散调控，增大了超表面偏振转换工作带宽[54]。2019年，Chang等[62]采用如图1.8（b）所示的结构，通过合理设计金属超表面的几何尺寸，使工作频率远离共振频率，实现了宽带偏振转换。2021年，You等利用等效电路理论优化结构尺寸，在219～334 GHz实现了偏振消光比为15 dB的半波片，其工作带宽达到了41.6%[63]。宽带太赫兹偏振控制超表面器件[64-66]为太赫兹系统尤其是宽谱的太赫兹时域光谱系统提供了关键的功能器件。
图1.8 用于宽带偏振控制的太赫兹超表面
进一步地，超表面还可提供空间变化的偏振转换，从而产生径向偏振光和角向偏振光等矢量光束，在高分辨率显微成像、激光加工等领域有重要的应用场景。天津大学的韩家广教授课题组及首都师范大学的张岩教授课题组分别用介质超表面和金属超表面产生了高质量的太赫兹径向偏振光和角向偏振光[67-68]。得益于结构单元可以同时控制偏振态和相位的优势，产生的矢量偏振光还可以携带任意拓扑荷数的涡旋相位，为丰富太赫兹波与物质的相互作用提供了更多的技术手段。
超表面用于太赫兹波的相位和波前调控，可实现波束偏折、超透镜、贝塞尔光束、涡旋光束、全息成像等多种功能。太赫兹波段的波前调控超表面和光波段超表面类似，也大致经历了从单层金属结构向全介质结构的过渡。梯度渐变的C形金属超表面可用于实现宽带的透射式波束偏折器，调整工作频率可使垂直入射的太赫兹波在25°～84°异常透射[69]，如图1.9（a）～图1.9（c）所示。类似的金属超表面也被广泛用于实现聚焦透镜和全息成像，但能量利用率低。进一步将C形开口环和金属线栅结合[70-71]，通过不对称腔的多次反射大大提高了透镜和全息图的信噪比，如图1.9（d）所示。
图1.9 基于金属超表面的透射式太赫兹波前控制器件
高阻硅是太赫兹波段少有的高折射率、低损耗、低色散的半导体材料，是太赫兹全介质超表面的主要选材。2018年，天津大学的韩家广教授课题组利用由不同直径的高阻硅圆柱构成的单层超表面[见图1.10（a）]在1 THz处实现了贝塞尔光束产生器和涡旋光束产生器[72]，其能量效率均在65%以上。2018年，重庆大学的陈刚教授课题组采用硅方形柱超表面[见图1.10（b）]在118.8μm处实现了数值孔径为0.95、聚焦光斑尺寸为0.45λ的超透镜，其在太赫兹成像方向极具应用潜力[73]。最新的研究进展还包括太赫兹超表面的多功能复用器件[67，74-78]、消色差超透镜[79]、消色差艾利光束产生器[80]和消色差偏折器[81]等。
图1.10 太赫兹全介质超表面器件
一些功能材料在电、磁、光、热等外界激励下表现出可调谐的太赫兹光学特性，如石墨烯、液晶、二氧化钒（VO2）、锑化铟（InSb）等，它们进一步赋予超表面功能开关、多功能动态转换和频率调谐等优势。2018年，北京理工大学的刘伟光等[82]设计了基于石墨烯的太赫兹电控超透镜，其结构如图1.11（a）所示。当石墨烯的偏置电压在0～2 V变化时，实验测得的焦距变化量达4.45λ。2021年，厦门大学的徐佳帅等[83]采用石墨烯超表面，将偏置电压对太赫兹波的振幅调制特性和数字编码结合起来，实现了双光束、三光束和单光束出射的功能转换。南京大学的陆延青教授课题组将液晶与全介质超表面结合，以液晶作为可调谐波片，实现了焦距可调和色散可调的太赫兹超透镜[84-85]，如图1.11（b）所示。还有人将VO2与金属微结构结合起来，利用其相变特性实现了宽带吸收器和宽带半波片之间的功能切换[86-87]，以及宽带可调的自旋霍尔效应[88]等。本书作者所在课题组将磁光材料InSb与金属或介质微结构结合起来，先后论证了太赫兹波束动态扫描[89]、太赫兹隔离器[90]和太赫兹动态偏振控制器件[91]等，如图1.11（c）所示。此外，机械伸缩、微机电控制、面内旋转或平移等也是实现波束扫描、动态波束赋形的有效技术方案[92-95]。
以上仅总结了极小部分太赫兹超表面的研究成果，该前沿领域正处于快速发展阶段。所述的这些器件尽管功能各异，结构和材料也不尽相同，但它们的共性特征是由亚波长尺度的结构单元组成，且这些结构单元的微尺度光学响应决定了最终的宏观波束操控功能。这些功能器件的发展将极大地丰富太赫兹波与物质的相互作用，提高人们驾驭太赫兹波的能力。
图1.11 基于主动材料的太赫兹可调谐器件