太赫兹波在信息通讯、生物医疗和国防安全等领域具有重大应用需求。然而，基于自然材料的传统调控器件在太赫兹波段的电磁响应很弱，存在体积庞大、效率偏低和功能单一等问题。近年来，具有亚波长结构特性的超构表面展现出强大的电磁波调控能力，为实现光学器件的小型化和多功能化带来了新的契机。然而，超构表面器件在成为太赫兹领域研究热点的同时，也面临着诸多困难与挑战：金属基超构器件由于欧姆损耗问题绝对工作效率低，现有全介质超构表面器件存在制备工艺和工作性能等方面的挑战。

   近日，复旦大学物理学系周磊教授和光科系孙树林教授团队合作，设计并制备出一系列硅基太赫兹高效自旋解耦双功能透射式超构器件，理论分析高深宽比结构在进行高效率自旋光场调控的角色，指导设计单元结构深宽比达20:1、绝对效率达到88%以上的超构器件，在太赫兹波段实验实现了光子自旋霍尔效应、聚焦\偏折、双全息成像等调控功能。2022年12月9日，相关研究成果以《基于透射式介质超构表面实现高效率双功能太赫兹波调控》（“Bifunctional Manipulation of Terahertz Waves with High-Efficiency Transmissive Dielectric Metasurfaces”）为题发表在《先进科学》（Advanced Science）上。

图1太赫兹高效自旋解耦双功能透射式超构器件

    研究团队理论分析了高深宽比结构在实现高效率自旋光场调控的条件，指导设计并制备出具有高深比（20：1）的全硅基人工原子构建透射式太赫兹超构表面器件，借助传输相位和几何相位实现高效率双功能调控超构表面器件，实验验证了圆偏振态调制的多功能太赫兹复杂光场调控效应。团队发现具有特定高深宽比的全硅人工原子可同时实现大幅度的传输相位延迟效应，同时协同利用法布里波罗共振和阻抗匹配等原理提升器件的绝对工作效率。通过将套刻技术与深硅刻蚀Bosch Process工艺相结合，调节刻蚀（etch）和钝化（passivation）工艺平衡，成功制备出了一系列不同尺寸的高深宽比全硅人工原子单元库，具有近100%偏振转化效率和360度相位延迟效应。基于上述高效透射型全硅人工原子体系，团队充分利用与自旋无关的传输相位和与自旋相关的几何相位这两个独立调控自由度，设计和实现了手性完全解锁的高效双功能波前调控器件。太赫兹远场实验完美验证了该超构器件对左右旋圆偏振光实现的聚焦和偏折效应，其实验测试绝对工作效率高达88%。团队进一步设计并实验表征了功能更加复杂的高效全息成像双功能器件。该器件在不同圆偏振太赫兹光的激励下，可在器件透射端焦平面的左右两侧呈现不同的全息图像（见图2）。

图2 高质量全硅超构表面实现自旋调控的双功能调控

    复旦大学物理学系王卓、姚尧和光科系潘威康为共同第一作者，复旦大学光科系孙树林教授和物理学系周磊教授为论文的通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科技创新行动项等基金的支持。

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202205499