JOPT编辑优选：基于双原子超表面的太赫兹双功能偏振调制器件
文章介绍
Hui Li (李辉), Wenhui Xu (许文慧), Hang Xu (徐航), Chunyu Song (宋春宇), Qi Tan (谭琪) and Jianquan Yao (姚建铨)
通讯作者：
- 姚建铨，天津大学精密仪器与光电子工程学院
研究背景：
偏振作为光场的重要性质之一，是用于表征自由空间中电磁波的基本维度，对偏振的调制在成像、数据存储和传感等领域有着重要的应用。通常，可以使用标准的2×2 Jones矩阵来描述偏振态，其中每个分量表示从输入偏振到输出偏振的唯一映射。最近，具有多通道属性的偏振调控方案已成为各种光学应用和技术的基石。偏振态的操纵可以通过级联操作来实现，如偏振器和波片。特别是偏振态的产生，通常需要串联线偏振片和波片等多个偏振器件，最终导致任意偏振态产生器件体积较大，偏离了集成光学中小尺寸器件的设计目标。超表面可在亚波长尺度内实现对相位、振幅和偏振等的多维度灵活调控，它的出现为减轻传统光学系统负荷以及实现光学系统集成化提供了有效的技术途径。在诸多特定的应用环境下，将平面的超构表面器件引入到光学系统中替代传统的曲面元件，可以有效降低系统的复杂度，提高光学系统的可靠性，促进集成光学系统和空间光学系统的发展。
近些年来，具有偏振转换特性的全介质超表面已经被广泛研究，例如基于矩形硅柱的半波片（HWP），可以将入射偏振转换为其正交偏振态；基于十字型硅柱的四分之一波片（QWP），可用于实现线偏振和圆偏振态之间的转换。不同于由单个HWP或QWP超原子组装而成的平面化阵列，具有特定结构参数的双原子超表面结构表现为选择性地允许一种偏振态通过并且转化为目标偏振态，赋予了单层超表面结构作为偏振态起偏器件的潜力。但是，具有偏振可切换特性的双原子超表面器件依然空缺，如何设计一种在正交偏振入射下可以分别产生线偏振和圆偏振态的偏振转换器件成为了一个亟待解决的问题。
研究内容：
在文章中，研究者设计并组装了一种用于实现双功能偏振开关的双原子超表面。该工作选用一对具有固定相位差的HWP和QWP超原子，如图1所示。以平面结构的琼斯矩阵出发，利用坐标系变换严格地推导出透射偏振态的琼斯矩阵以及对应的超构表面的双原子排布方式。通过设置双原子矩形柱柱的结构参数以及面内转角可以调节超构表面的琼斯矩阵中的元素，进而可以表征入射偏振态在与超构表面相互作用时偏振转化与透射行为。具有单一偏振转换行为的HWP和QWP超原子可以通过在0.5 THz处捕获的电场分布进一步评估，如图1底部所示。对于周期膨胀后的HWP超原子，在x偏振入射下产生的透射电场的|Ex|分量减弱，而|Ey|分量占主导地位。同样监测了x偏振入射下具有周期性束缚条件的QWP超原子产生的电场的|ER|和|EL|分量。显然，相同数量级下透射场的|EL|分量比|ER|分量大的多，进一步证实了所选的元原子的偏振转换能力。
图1 用于构建双原子超表面的HWP和QWP超原子在目标频率处的响应
随后，利用CST MICROWAVE STUDIO软件建立满足相位要求的超级单元，将x、y方向设置为周期性边界条件，将z方向设置为开放边界条件。为了突出超原子的不同配置方案，使用不同的颜色渲染了矩形硅柱和基底，如图2a所示。随后，分别计算了MS1在45°和135°线偏振入射下产生的透射偏振态。45°线偏振入射下的x分量远大于其y分量，在0.5 THz处的透射差为0.7，且相位差约为40°，如图2c和2d所示。为了进一步直观地了解透射的偏振态，通过引入偏振椭圆进行了可视化处理。如图2b中所示，透射的偏振态是x偏振的，参数S1=0.98。然后，使用135°线偏振来激发MS1，如图2e所示。记录到的振幅的x和y分量在0.5 THz（≈0.71）时几乎相等，两个分量之间的相位差接近90◦，如图2g和2h所示。因此，当根据获得的参数可视化偏振态时，得到的偏振椭圆呈现为典型的LCP，参数S3=0.99，如图2f所示。
图2 MS1分别在45°和135°线偏振入射下的仿真结果
通过改变HWP和QWP超构原子的相对角度，可以分别在45°和135°线偏振入射下自由切换所产生的线偏振和圆偏振态，其可视化的偏振椭圆如图3中所示。值得注意的是，尽管双原子超表面表现出高效的工作效率，但根据叠加原理，极化转换过程中的传输效率限制在50%。
图3 不同组装模式下重建的透射偏振椭圆
作者介绍
李辉
天津大学
- 李辉，天津大学精密仪器与光电子工程学院在读博士。主要研究方向为基于全介质超表面的太赫兹光场调控。在LPR、SCIENCE CHINA、Nanophotonics、AOM等权威期刊和会议发表论文20余篇。
姚建铨 教授
天津大学
- 姚建铨，天津大学教授、中国科学院院士。现任天津大学精密仪器与光电子工程学院教授、院学位委员会主任、院名誉院长、激光与光电子研究所所长。长期从事激光与非线性光学频率变换技术的研究，完成国家重点科技项目等数十项。他提出并发展了双轴晶体最佳相位匹配计算的理论及方法，被国际学术界称为“姚技术”、“姚方法”。他在激光与非线性光学频率变换领域取得系统的、创造性的成就，在国际上享有一定的声誉。近20多年来，在高功率全固态激光器、周期极化晶体–准相位匹配技术、太赫兹技术、微纳光电子器件技术及智慧海洋技术等方面的研究达到国际先进水平。承担了“九五”国家重点攻关项目、国家863、973以及自然科学基金等项目30余项，并取得了丰硕的科研成果；曾获国家发明二等奖，国家教委及天津科技进步二等奖（4次）、军队科技进步一等奖、中科院特等奖、国际尤利卡发明金奖等，在国内外发表论文700余篇，获专利20余项。
期刊介绍
- 2023年影响因子：2.0 Citescore: 4.5
- Journal of Optics（JOPT）出版光学方面的实验和理论研究论文，研究领域包括：纳米光子学和等离激元光子学；超构材料和结构化光子材料；量子光子学；生物光子学；光与物质的相互作用；非线性和超快光学；光的传播、衍射和散射；信息和通信光学；集成光学；光伏和能量收集。除原创性研究外，JOPT还出版专题综述，为研究人员带来高质量的内容。所有JOPT文章还提供HTML阅读模式，方便研究人员使用手机或平板进行阅读。