天津大學太赫茲研究中心在基於超表面的全息術方面取得突破

偏振是電磁波的基本屬性之一。對於偏振態的調製與利用一直以來都是人們在電磁波領域關注的焦點。傳統光學中，利用單個器件對左旋圓偏振光（LCP）與右旋圓偏振光（RCP）獨立操控近乎是不可能的，如今超表面技術的發展使得這一現象得以實現。

近日，天津大學精密儀器與光電子工程學院、太赫茲研究中心張偉力教授、韓家廣教授團隊聯合英國南安普頓大學Eric Plum教授團隊在基於超表面的全息術方面取得突破性進展，實現了反射式手性全息成像，相關研究成果發表在Nature系列刊物Light: Science & Applicationsvolume 7, Article number: 25 (2018) https://www.nature.com/articles/s41377-018-0019-8，該論文第一作者是天津大學太赫茲研究中心的博士研究生王球。

圖1 具有手性的超表面設計

全息術是一種高質量的三維成像技術。傳統全息術中，全息板記錄了物光與參考光的干涉條紋，儲存了物體的相位振幅全部信息，從而在像重現過程中可以觀測到三維的像。隨著計算機技術與光電子技術的發展，通過計算產生全息板的計算全息術開始興起並逐漸成為主流方法。計算全息術中，一般利用空間光調製器作為全息板。但空間光調製器的像素大小是波長的數倍，且不具備偏振獨立調控性，所以會具有產生其他衍射級以及無法實現偏振選擇等問題。

超表面是由亞波長微結構組成的人工結構表面。通過對電磁波波前的相位與振幅的調製，超表面可以實現透鏡，隱身等現象。由於像素（微結構）大小僅為亞波長量級，基於超表面的全息術可以得到高效率，高質量的全息像。不同於傳統的光學器件，某些超表面通過合理的設計可實現對於不同線偏振光的獨立響應。但目前絕大多數超表面的基本結構單元是非手性的，所以對於不同圓偏振光的響應是完全依賴的，難以實現對於對不同圓偏振光的獨立操控。

圖2 雙分裂環諧振器的三層結構設計

為解決這一難題，研究團隊在太赫茲波段設計了兩種分別對於LCP與RCP高效率響應同時吸收另一種圓偏振光的手性基本結構單元。通過理論與實驗雙重驗證，首次以直接設計的方式實現了手性的全息成像。在該研究中，該團隊通過精細地設計反射式不對稱雙開口諧振環，實現了LCP入射光主要激髮結構的電諧振而表現為高反射；RCP入射光主要激髮結構的磁諧振而在有損耗的介質層中不斷反射後表現為高吸收。將此諧振環做鏡像，便可得到對於LCP高吸收，RCP高反射的基本結構單元，從而滿足了手性響應的基本要求。此外，利用幾何相位，通過旋轉諧振環可實現對於相位的任意控制，同時振幅保持不變，從而使設計相位型全息術成為可能。採用所提出的分區式相位型全息術迭代演算法，確定諧振環的排布方式，最終實現了針對LCP與RCP完全獨立的全息成像。實驗結果與理論模擬高度吻合，且不同通道之間幾乎觀測不到任何串擾。

圖3 LCP和RCP全息成像

該工作展示了針對圓偏振光的偏振選擇性，豐富了超表面的獨特性能，拓展了超表面的研究與應用範圍。由於具有強烈的手性響應，該工作對於設計人工手性材料領域也具有重大意義。另外，由於不同偏振通道之間幾乎沒有任何串擾，該技術可以應用於偏振多路復用技術，這對於全息術在信息存儲與通信等方面的潛在應用具有重大意義。

此外，天大太赫茲中心與南洋理工大學叢龍慶博士、Ranjan Singh博士合作，在超快光控超表面方面取得突破。該工作以「All-optical active THz metasurfaces for ultrafast polarization switching and dynamic beam splitting」為題近日同樣被《Light: Science & Applications》接收（Light: Science & Applications (2018) 7,doi: 10.1038/s41377-018-0024-y）。該工作通過光控實現了對於出射電磁波偏振態以及分束比的主動調控，調製時間僅為667ps。

參考文獻：

1，Reflective chiral meta-holography: multiplexing holograms for circularly polarized waves

Qiu Wang, Eric Plum, Quanlong Yang, Xueqian Zhang, Quan Xu, Yuehong Xu, Jiaguang Han & Weili Zhang

Light: Science & Applicationsvolume 7, Article number: 25 (2018)

2，All-optical active THz metasurfaces for ultrafast polarization switching and dynamic beam splitting，Longqing Cong, Yogesh Kumar Srivastava, Huifang Zhang, Xueqian Zhang, Jiaguang Han and Ranjan Singh

Light: Science & Applications (2018) 7,doi: 10.1038/s41377-018-0024-y

■供稿 | 王 球

■編輯 | 李子涵

■審稿 | 梁童心

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