用于交叉极化偏转、聚焦和轨道角动量的太赫兹石墨烯超表面

超构表面（metasurface）是一种新兴的二维超构材料（metamaterial），其由人工超构原子组成，可以在亚波长尺度上自由地操纵电磁波的振幅、相位和偏振等。通过精心设计相位分布，研究人员已经开发出超构表面的许多应用。

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子组成的二维材料。由于其具有高电子迁移率和可调谐电光特性，石墨烯引起了人们的广泛关注。凭借其新颖的光学特性，石墨烯基的各向异性结构被广泛用于控制电磁波的偏振状态——偏振是电磁波的一个重要特性。石墨烯在新兴领域发展了广泛的应用，例如全息成像、吸收器和偏振器等。近年来，由于石墨烯的电导率可随费米能级调谐，因而在动态超构表面上有着广泛的应用。

据麦姆斯咨询报道，近日，厦门大学电子科学与技术学院宋争勇副教授课题组在Optics Express发表了以“Terahertz graphene metasurfaces for cross-polarized deflection, focusing, and orbital angular momentum”为主题的研究论文。宋争勇副教授为该研究论文的通讯作者，主要从事太赫兹人工智能阵列天线、人工智能电磁超构表面/超构材料、微波毫米波、微纳光子学、等离激元光子学和太赫兹技术的研究工作。

四个石墨烯基超构原子的3D示意图

这项研究工作中，设计了四个石墨烯基超构原子，通过改变石墨烯的费米能级来调节太赫兹波的偏振态。当费米能级为0.01eV时，四个超构原子在1.18THz处可发射出相位差为90°的交叉偏振波，相对应的偏振转换率可达到约90%。当费米能级调整到0.70eV时，线性相位梯度消失，交叉偏振波也几乎消失。随后，利用四个选定的石墨烯基超构原子，设计了梯度超构表面、超构透镜和涡旋光束发生器三种动态超构表面来控制反射光束的波前。本研究所设计的超构表面将波前控制与偏振操纵成功结合，大幅提升了控制电磁波的能力。该设计可能有许多潜在应用，如太赫兹开关、成像和偏振分束器。

梯度超构表面的3D示意图及其特性变化

超构透镜的3D示意图及其特性变化

涡旋光束发生器的3D示意图及其相位分布卷积运算过程

这项研究设计了三种动态超构表面：梯度超构表面、超构透镜和涡旋光束发生器。首先，梯度超构表面可以通过改变费米能级，自由转换交叉偏振的不规则反射和共偏振的镜面反射。其次，提出了一种可通过调整费米能级，用于不同偏振态动态聚焦和散焦光束的超构透镜。最后，涡旋光束发生器可通过调节费米能级，实现切换不同偏振状态的轨道角动量（OAM）模式。这项研究设计可以为太赫兹与其他频域的可切换器件设计带来自由。

这项研究工作获得国家自然科学基金（11974294）的支持。该研究第一作者为厦门大学电子科学与技术学院Canhui He。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OE.462330

审核编辑 ：李倩