摘要
太赫兹科学与技术的快速进步为下一代无线通信、天文观测、医学成像、生化传感等领域带来了新的技术方案。超构表面研究的兴起与蓬勃发展为太赫兹波段的功能器件及系统提供了重要的技术支撑。然而，目前的太赫兹超表面器件由于材料种类或设计机制的限制普遍还存在调控参数单一、设计通道有限、效率低下等诸多不足，难以匹配快速发展的太赫兹辐射、探测技术及适应日益增长的太赫兹应用需求。本论文主要研究多偏振通道复用的太赫兹超表面器件，实现正交线偏振、圆偏振波的独立波前控制及多参数调控、动态调制。具体研究内容如下： 1.结合线偏振复用与空间复用原理，充分利用全介质各向异性超表面单元的低串扰特性及线性双折射效应，实现了从平面波到复杂螺旋波前的多偏振通道转化，即太赫兹轨道角动量叠加态产生。通过引入聚焦的相位设计，同时实现了横向和纵向电场分量的有效操控。进一步，通过异构单元的空间复用排列，有效结合了线性双折射单元的同偏振分量和交叉偏振分量，利用一个器件同时实现了波前控制和多通道偏振转化。 2.通过几何相位与动力学相位的联合设计，实现了正交圆偏振太赫兹波的独立相位控制，基于波前调控的方式获得了透射波的类手性响应。对其中一个圆偏振分量引入伪随机相位排布，观测到透射圆二色性峰值约为0.4，偏振转化效率达80%。另外，基于该方法还展示了手性任意波前控制，对其中一个圆偏振分量实现了太赫兹涡旋波束的产生。 3.设计了一种金属-绝缘层-金属结构的反射式手性超表面，实现了高效率的自旋选择性太赫兹吸收。通过单元的旋转排列对未吸收分量附加几何相位，实现了任意手性波前控制。引入结构化单层石墨烯作为有源材料，通过调节其电学特性实现了复合单元在手性结构与各向同性结构之间的切换，进而获得了动态波前调制功能。进一步，利用金属-半导体复合手性结构与几何相位实现了手性任意波前控制。通过光泵浦调节半导体导电性，将手性结构转化为各向异性结构，实现了正交圆偏振太赫兹波前的非对称全光调制。
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