第一作者：邢效华、邹蝶

通讯作者：吴亮

通讯单位：天津大学精密仪器与光电子工程学院

研究背景

太赫兹技术的发展依赖于高性能的功能器件，而偏振功能器件作为一类基础器件具有重要的应用价值。尤其对基于太赫兹波的通信、成像和光谱学等技术领域来说，偏振态的高性能调控更是不可或缺的。全介质超材料的引入，可以从一定程度上克服现有的太赫兹超材料偏振功能器件在透射效率和功能多样性方面的不足。不论是透射效率的提升，还是器件功能的多样化，都极大地影响着太赫兹偏振功能器件的性能，对太赫兹技术的发展具有非常重要的意义。

文章简介

电磁波的偏振态调控对于太赫兹技术的应用有着重要意义，利用全介质超材料实现太赫兹波的偏振转换有利于系统的小型化和集成化。在完成太赫兹波偏振转化的同时，全介质各向异性超材料能够保证对太赫兹波高效的透射，而高透射率有利于太赫兹偏振功能器件的实际应用。

近期，天津大学姚建铨院士研究团队的吴亮副教授等人提出了一种全硅设计的十字型微纳结构的偏振转换器件，能够在1.00 THz-2.32 THz频率范围内实现高转换效率和任意偏振态的主动控制，此外，抗反射层的引入也为器件透射效率的进一步改善提供了帮助，相关工作以An All-Silicon Design of High-efficiency Broadband Transmissive Terahertz Polarization Convertor为题于近期发表在Frontiers of Optoelectronics期刊上。

图文导读

创新点一：通过十字型全硅超材料的优化设计实现宽带工作和高转换效率

研究团队设计了一种十字型全介质超材料，用以实现较大的工作频率范围内太赫兹波偏振态的调控。然后，利用等效介质理论和琼斯矩阵对其工作性能进行了研究。

图1 设计的十字形超材料示意图。(a)十字型超材料偏振转换器件的原理图；(b)微结构的立体图，其中， h：十字型结构的高度，H：衬底厚度，a-d:十字形结构尺寸，P：周期，α：十字型结构短轴与x轴的夹角，t：十字型微结构的长轴在x轴上的投影长度。

通过CST仿真软件，对十字型全硅超材料进行了仿真验证。图2为模拟得到的最佳参数下器件的透射率和偏振转换效率。其中，入射光波为沿着x轴方向偏振的太赫兹波。针对实现半波片功能(图2b)，在1.00 THz-2.32 THz的频率范围内，入射偏振光通过器件后，大部分x方向偏振光被转换成y方向的线偏振光。此时，偏振转换效率 (PCR)大于80%，具有非常宽的有效工作带宽。针对实现四分之一波片功能(图2c)，当透射波的两个正交分量相等时，线偏振波可转换为圆偏振波。当x方向的偏振入射波入射器件时，在0.85 THz处透射波完全转换为左旋圆偏振波（LCP）；当y方向偏振波入射到器件时，在0.85 THz处透射波完全转换为右旋圆偏振波（RCP）。此外，利用PB (Pancharatnam-Berry)相位的特性，可以通过调整微结构单元的空间方位，将线偏振波转换为左旋圆偏振光或者右旋圆偏振光。

图2 偏振转换器件的仿真结果。(a)、(b)在最佳参数下十字形微结构的透射率和PCR，黄色区域表示在该频率范围内PCR超过80%；(c) 在不同偏振方向的入射线偏振光作用下，器件作为四分之一波片的性能，黄色区域表示椭圆率≥80%。其中，a = 30 μm；b = 80 μm；c = 30 μm；d = 40 μm；h = 180 μm；P = 80 μm；H = 500 μm。

创新点二：基于十字型全硅超材料实现了易于集成且具有入射角度鲁棒性的太赫兹偏振转换器件

研究团队还研究了该偏振转换器对于入射角度θ的依赖性(此处设置衬底厚度为10 μm)和是否易于集成。器件的透射率和PCR随入射角和衬底厚度的变化如图3所示。虽然透射率随入射角增大有所减小，如图3(a)-3(b)所示，但是随着入射角的增加，偏振转换性能受到的影响很小，如图3(c)所示。这些结果表明，该结构对不同的入射角度具有良好的鲁棒性，对实际应用具有重要意义。

图3 (a)-(f)不同入射角度和衬底厚度下的透射率和PCR。其中，(a)和(b)分别表示不同入射角对太赫兹波在x、y方向透射率的影响；(c)为不同入射角对PCR的影响；(d)-(f)不同衬底厚度下的透射率和PCR；(d)和(e)分别表示不同厚度下x、y方向的透射率；(f)为不同厚度下的PCR。这里，红色区域所占频带越宽，器件性能越好。

针对偏振转换器的应用情况，分析了衬底厚度对器件性能的影响。如图3(d)-3(f)所示，颜色越红的区域，透射率和PCR越高。仿真结果显示，该器件可以允许较小的衬底厚度，这意味着器件可以更容易集成，对该器件的实用化具有重要意义。

总结和展望

十字型微结构的全硅超材料可以在太赫兹波段实现正交线偏振态之间的转换和线偏振与圆偏振之间的转换。通过对仿真结果的分析，得到了最佳的结构参数。优化后的器件可实现宽带(~1.32THz)、高效率(超过80%)的正交偏振态之间的转换。研究团队研究了器件在不同入射角下的响应，结果表明该变换器无入射角度的依赖性。衬底厚度对其性能影响较小，验证了该器件具有良好的集成潜力。该工作为集成太赫兹系统中透射型宽带偏振变换器的设计和理论分析提供了参考。

作者介绍

吴亮，天津大学副教授，北洋青年骨干教师，天津市激光技术协会理事。长期从事太赫兹通信，超材料功能器件，太赫兹辐射源、探测，人工智能光学器件等领域的研究，在《Small》, 《Advanced Materials》, 《Applied Physics Letters》, 《Optics Letters》, 《Optics Express》, 《Scientific Reports》, 《Optical Materials Express》等刊物上发表70余篇高水平学术论文。主持完成国家自然科学基金、天津市自然科学基金等项目。参与完成国家自然科学基金重点、国家重点基础研究发展计划（973计划）、国家重大科研仪器研制等项目。

姚建铨，天津大学精密仪器与光电子工程学院教授、博士生导师、院学位委员会主任、名誉院长、激光与光电子研究所所长。多年从事激光与非线性光学频率变换技术的研究，完成"七•五"、"八•五"国家重点科技攻关、863项目、国家自然科学基金等数十项科研任务。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，被国际学学术界称为“姚技术”、“姚方法”。在国际上率先建立了双轴晶体最佳相位匹配计算–类高斯分布理论–准连续高功率倍频激光器–准连续激光调谐系统的技术体系。他在激光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10年来在高功率全固态激光器和周期极化晶体–准相位匹配技术方面的研究达到国际先进水平。代表专著《非线性光学频率变换及激光调谐技术》（科学出版社，1995）、《全固态激光及非线性光学频率变换技术》（科学出版社，2007）、《Nonlinear Optics and Solid-State Lasers: Advanced Concepts, Tuning-Fundamentals and Applications》(Springer Series in Optical Sciences, 2012)。近年来正在开展太赫兹波辐射的研究，承担973、863及国家自然科学基金等项目。已培养出16名博士后、74名博士生及93名硕士生。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、浙江省科学技术二等奖等。在国内外发表论文930余篇，论文曾被多国学者引用百余次。兼任中国兵工学会太赫兹应用技术专业委员会委员、中国电子学会太赫兹专家委员会委员、海洋光学专家委员会委员、中国光学学会理事、中国电子学会物联网专家委员会副主任、天津市激光学会理事长、天津市光学学会副理事长、天津大学光电信息科学技术教育部重点实验室学术委员会副主任、天津大学激光与光电子研究所所长、中国光学工程学会激光清洗专业委员会理事长。是“国家级有突出贡献中青年专家”、“全国高校先进科技工作者”、“全国优秀科技工作者”及“天津市特等劳模”，享有国务院特殊津贴。