En metaenhet för att dynamiskt kontrollera THz-vågfronter genom att rotera lager av kaskadkopplade metasytor. Kredit:Shanghai University
Elektromagnetiska (EM) vågor i terahertz (THz) regimen bidrar till viktiga tillämpningar inom kommunikation, säkerhetsavbildning, och bio- och kemisk avkänning. En sådan bred tillämpbarhet har resulterat i betydande tekniska framsteg. Dock, på grund av svag interaktion mellan naturmaterial och THz-vågor, konventionella THz-enheter är vanligtvis skrymmande och ineffektiva. Även om ultrakompakta aktiva THz-enheter finns, nuvarande elektroniska och fotoniska metoder för dynamisk kontroll har saknat effektivitet.
Nyligen, snabba utvecklingar inom metasytor har öppnat nya möjligheter för att skapa högeffektiva, ultrakompakta THz-enheter för dynamisk vågfrontskontroll. Ultratunna metamaterial bildade av plana mikrostrukturer med subvåglängd (dvs. meta-atomer), metasytor möjliggör skräddarsydda optiska svar för kontroll av EM-vågfronter. Genom att konstruera metasytor som har vissa fördesignade fasprofiler för sända eller reflekterade vågor, forskare har visat fascinerande vågmanipulationseffekter, såsom onormal ljusavböjning, polarisationsmanipulation, fotonisk spin-Hall, och hologram.
Dessutom, Att integrera aktiva element med individuella metaatomer inuti passiva metasytor möjliggör "aktiva" metadevices som dynamiskt kan manipulera EM-vågfronter. Medan aktiva element i djupa subvåglängder lätt kan hittas i mikrovågsregimen (t.ex. PIN-dioder och varaktorer), och framgångsrikt bidra till aktiva metadevices för strålstyrning, programmerbara hologram, och dynamisk bildbehandling, de är svåra att skapa vid frekvenser högre än THz. Denna svårighet beror på storleksbegränsningar och betydande ohmska förluster i elektroniska kretsar. Även om THz-frekvenser kan styra THz-strålar på ett enhetligt sätt, de är vanligtvis oförmögna att dynamiskt manipulera THz-vågfronterna. Detta beror ytterst på brister i den lokala inställningsförmågan vid djupa subvåglängdsskalor i denna frekvensdomän. Därför, att utveckla nya tillvägagångssätt som kringgår beroendet av lokal inställning är en prioritet.
Demonstration av den dynamiska strålstyrningsmetaenheten:(a) Schema för metaenheten, som består av två lager av transmissiva metasytor inriktade av ett motoriserat rotationssteg. (b) Ovanifrån (vänster) och (c) bottenvy (höger) SEM-bilder av den tillverkade metaenheten. (d) Schema för den experimentella uppställningen som visas karakterisera meta-enheten. (e) Experimentella och (f) simulerade fjärrfältsspridningseffektfördelningar med metaenheten upplyst av ett LCP-ljus vid 0,7 THz, och utvecklas längs väg I vid olika tidpunkter. (g) Utveckling av sända vågriktningar på sfären i k-riktningen när metadeanordningen rör sig längs väg I och väg II, med heldragen linje (stjärnsymboler) som anger de simulerade (experimentella) resultaten. Här, det blå området anger den rymda vinkeln för strålstyrning. Kredit:X. Cai et al.
Som rapporterats i Avancerad fotonik , forskare från Shanghai University och Fudan University utvecklade ett allmänt ramverk och metadevices för att uppnå dynamisk kontroll av THz-vågfronter. Istället för att lokalt kontrollera de enskilda metaatomerna i en THz-metayta (t.ex. via PIN-diod, varaktor, etc.), de varierar polarisationen av en ljusstråle med roterande flerskikts kaskadformade metasytor. De visar att rotation av olika lager (vart och ett uppvisar en viss fasprofil) i en kaskadad metadeenhet vid olika hastigheter kan dynamiskt förändra den effektiva Jones-matris-egenskapen för hela enheten, att uppnå extraordinära manipulationer av vågfronten och polarisationsegenskaperna för THz-strålar. Två metadevices demonstreras:den första metadevicen kan effektivt omdirigera en normalt infallande THz-stråle för att skanna över ett brett rymdvinkelområde, medan den andra dynamiskt kan manipulera både vågfront och polarisering av en THz-stråle.
Detta arbete föreslår ett attraktivt alternativt sätt att uppnå låg kostnad dynamisk kontroll av THz-vågor. Forskarna hoppas att arbetet kommer att inspirera framtida tillämpningar i THz-radar, samt bio- och kemisk avkänning och avbildning.
