宽带太赫兹动态偏振控制的石墨烯可调谐多功能超材料|费米

宽带太赫兹动态偏振控制的石墨烯可调谐多功能超材料

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作为电磁波的一个重要特性，偏振及其调控在光学、通信、成像、传感和航空航天等领域具有重要作用。传统偏振控制的实现，主要是通过法拉第效应或自然双折射晶体进行传输控制。由于天然材料的电磁响应较弱，通常需要长距离传输才能获得相位积累，从而导致器件体积庞大。在过去的几年里，超材料作为一种人工电磁介质，由于独特的电磁波控制能力，在物理和材料科学领域引起了广泛的关注，且在某些方面也突破了天然材料的性能局限。同时，超材料也适合操控电磁波的偏振态，因此在微波到可见光波段出现了许多使用超材料的偏振器件。然而，目前大多数器件的电磁响应完全依赖于几何结构和参数，缺乏可调性，限制了其在实际工程中的进一步应用。如果能够动态改变超材料的电磁特性，将开辟传统设备无法提供的新应用。

近年来，可调谐超材料的开发使得太赫兹偏振主动可控成为现实，电磁响应的控制主要通过电、机械、热和光等外部刺激。在各种可调技术中，电气控制是实际操作中最方便的方法之一。由碳原子组成的石墨烯二维材料，其费米能级可由外部静电偏压或化学掺杂改变，使得能在较宽的频率范围内动态控制表面的导电性，因此是一种很好的满足电调谐要求的候选材料。特别是在太赫兹（THz）频率下，连续或图案化石墨烯片已成功地集成到超材料中，并且已经有越来越多电调谐光学器件的报道。在实践中，基于石墨烯的主动可控超材料，确实在开发高性能太赫兹偏振控制器方面显示出巨大的应用潜力，也为太赫兹偏振态的主动电控提供了极大的可能性。开发多功能的偏振主动可调器件，将把太赫兹科学的边界推向新的领域。其中，具有更大THz波偏振态控制灵活性和自由度的可调谐超材料设计，仍然是一个关键的技术挑战。

近期，《Carbon》杂志报道了一种宽带太赫兹动态偏振控制的石墨烯可调谐多功能超材料，实现了太赫兹波在多个自由度的偏振控制。图1（a）和（b）描述了所提出超材料及其单元的结构示意。该超材料是一种简单的复合结构，亚波长厚度约为中心波长的五分之一，由金属条、金属全反射层和嵌入栅压可控双石墨烯层的柔性介质衬底层组成。金属条相对于x轴以45°的方向排列，并布置在介质基底层的顶部，以形成谐振器阵列。柔性介质基板采用TOPAS聚合物，在整个THz波段具有稳定的折射率n≈1.53。嵌入的石墨烯夹层结构（GSS）由双层石墨烯片与聚合物薄膜夹在一起构成栅控元件，每一个石墨烯片都扮演着栅极的角色。因此，通过直流偏压电调谐两个石墨烯层的费米能级，可以控制超材料对THz波的偏振响应。这项工作中，最高的费米能级为0.65ev，需要大约7.1v的偏置电压，在比较安全的范围内。

对于线极化和圆极化电磁波，该超材料实现了电控切换开关的宽带半波片。图2（a）显示了在y偏振波的正常入射下，当石墨烯的费米能级为0eV时，超材料的反射主要由在宽带内大于0.8的交叉极化波控制，而共极化波反射接近于零，这意味着该器件可以有效地将线极化波转换为具有大带宽的交叉极化波。如图2（b）所示，PCR（极化转换比）大于95%，在1.46～2.26thz的频率范围内峰值达到99.9%。而当石墨烯层的费米能级变化为0.65eV时，共极化反射大于0.88的频带内，交叉极化反射低于0.14，PCR接近于零，形成共极化输出。此外，如图2（c）和（d）所示，所设计的器件对1.46到2.26太赫兹的左旋极化入射也表现出非常相似的反射响应。因此，调控偏压可实现PCR的开关，相对频率带宽达到43%。

除了实现电控开关半波片外，该超材料还可以通过调整GSS上的偏压实现PCR在较宽工作频带内的动态连续调谐。如图3（a）和（b）所示，对于线极化的入射波，增加费米能级将导致交叉极化反射的减少和共极化反射的增加；当石墨烯的费米能级从0 eV增加0.65 eV，反射波的PCR可以在2%到95%的大范围内连续调谐，且频率越低PCR随费米能级的变化越快，如图3（c）所示。与线偏振光入射类似，该装置还可用于动态调节圆偏振光下的PCR。从图3（d）和（e）可以看出，较大的费米能级意味着更大的共极化反射，但更小的交叉极化反射，PCR也随着GSS中石墨烯费米能级的增加而逐渐减少；反之亦然，如图3（f）所示。因此，如果通过双石墨烯层的选通结构施加不同的直流偏压，费米能级可以连续改变，从而允许半波片控制其PCR。

如果石墨烯的费米能级在0.65ev和0.19ev之间切换，则可以实现线极化和圆极化入射四分之一波片的开关。图4（a）和（b）中的结果是当石墨烯的费米能级固定为0.19 eV时计算的，在1.86到2.31THz范围内具有相似的振幅反射行为，两个正交分量的归一化透射约为0.51。同时，相位差约为270°，相应的椭圆度超过0.94，这意味着所提出的器件可以作为带宽为0.45THz的左旋偏振器。而当石墨烯层的费米能级为0.65eV时，所设计的器件可以在1.46至2.26THz的频带内保持入射波的偏振状态不变，如图2（a）和（b）所示。对于入射的x偏振太赫兹波，可以观察到与y偏振入射波类似的反射行为，如图4（c）所示，但是相位差在270°左右。在图4（d）所示的相同工作频带中，椭圆度小于0.94，表现出宽带右旋偏振太赫兹的输出。通过这种方式，所提出的超材料表现为一个可开关的四分之一波片，在线偏振入射下输出圆偏振和共偏振反射。此外，对于左旋和右旋圆极化入射，同样可以实现可开关的四分之一波片，如图5（a）和（b）所示。

以上结果表明，所提出的超材料可以作为一种可调谐的多功能偏振器件工作，它不仅可以在交叉极化、圆极化（或线极化）和共极化之间切换其输出电磁波，也可以在宽带内对入射线极化（或圆极化）波的PCR进行2%到95%的自由调节。总的来说，当该器件作为可调谐的宽带半波片工作时，电磁能量的整体交叉极化反射效率在57%-84%之间，线极化和圆极化入射波的相对频率带宽都达到43%。当超材料作为可开关的宽带四分之一波片工作时，对于入射的线极化（或圆极化）波，在1.86~2.31THz波段，电磁能量的总圆极化（或线极化）反射效率在41%-60%之间。与四分之一波片或半波片组成的主动或被动超材料太赫兹偏振控制器件的实验研究相比，该器件的总体工作效率相当或接近，具有潜在的应用前景。此外，所提出的超材料在宽频带THz波范围内，提供了多个自由度的动态极化操纵。与传统的偏振控制器相比，石墨烯的这种足够的可调性，将使所提出的超材料转变成更有意思的器件。

图1 超材料阵列示意图（a）以及单元超材料配置（b）

图2 费米能级为0和0.65eV时，共极化和交叉极化反射系数的大小和计算的PCR（a和b为y偏振入射，c和d为左旋偏振入射）

图3 共极化反射系数、交叉极化反射系数和PCR大小以及与频率和费米能级关系（a、b和c为y偏振入射，d、e和f为左旋偏振入射）

图4 费米能级为0.19eV时，共极化和交叉极化反射的幅值、相位差和相应的椭圆度（a和b为y偏振入射，c和d为x偏振入射）

图5 费米能级为0.19eV时，共极化和交叉极化反射的大小和相位差（a为左旋偏振入射，b为右旋偏振入射）

该超材料利用可变双折射率来进行偏振操纵，并通过仿真实验验证了超材料在斜入射下的鲁棒性。该超材料为THz波在宽频带上的动态极化控制提供了更大的自由度，可用于无线通信、太赫兹传感和成像等领域的潜在应用。