En metadevice til dynamisk styring af THz -bølgefronter ved at rotere lag af kaskadede metasurfaces. Kredit:Shanghai University
Elektromagnetiske (EM) bølger i terahertz (THz) regimet bidrager til vigtige applikationer inden for kommunikation, sikkerhed billeddannelse, og bio- og kemisk sansning. Så bred anvendelighed har resulteret i betydelige teknologiske fremskridt. Imidlertid, på grund af svage interaktioner mellem naturlige materialer og THz -bølger, konventionelle THz -enheder er typisk omfangsrige og ineffektive. Selvom der findes ultrakompakte aktive THz -enheder, nuværende elektroniske og fotoniske tilgange til dynamisk kontrol har manglet effektivitet.
For nylig, hurtige udviklinger i metaoverflader har åbnet nye muligheder for skabelse af højeffektivitet, ultrakompakte THz -enheder til dynamisk bølgefrontkontrol. Ultratynde metamaterialer dannet af subbølgelængde plane mikrostrukturer (dvs. meta-atomer), metasurfaces muliggør skræddersyede optiske reaktioner til kontrol af EM -bølgefronter. Ved at konstruere metaoverflader, der besidder visse foruddesignede faseprofiler til transmitterede eller reflekterede bølger, forskere har demonstreret fascinerende bølge-manipulationseffekter, såsom unormal lysudbøjning, polarisationsmanipulation, fotonisk spin-Hall, og hologrammer.
I øvrigt, integrering af aktive elementer med individuelle meta-atomer inde i passive metasurfaces giver mulighed for 'aktive' metadevices, der dynamisk kan manipulere EM-bølgefronter. Mens aktive elementer i dybe delbølgelængder let findes i mikrobølgeovnen (f.eks. PIN -dioder og varaktorer), og med succes bidrage til aktive metadevices til beam-steering, programmerbare hologrammer, og dynamisk billeddannelse, de er svære at oprette ved frekvenser højere end THz. Denne vanskelighed skyldes størrelsesbegrænsninger og betydelige ohmiske tab i elektroniske kredsløb. Selvom THz -frekvenser kan styre THz -stråler på en ensartet måde, de er typisk ude af stand til dynamisk at manipulere THz -bølgefronterne. Dette skyldes i sidste ende mangler i de lokale indstillingsmuligheder ved dybe subbølgelængdesskalaer i dette frekvensdomæne. Derfor, at udvikle nye tilgange, der omgår afhængighed af lokal tuning, er en prioritet.
Demonstration af den dynamiske strålestyrende metadevice:(a) metadevices skemaer, som består af to lag transmissive metaoverflader justeret af et motoriseret rotationstrin. (b) Set ovenfra (venstre) og (c) set fra bunden (højre) SEM -billeder af det fremstillede metadrev. (d) Skemaer af den eksperimentelle opsætning vist for at karakterisere meta-enheden. (e) Eksperimentelle og (f) simulerede fjernspredningsfordelinger med metadeenheden belyst af et LCP-lys ved 0,7 THz, og udvikler sig langs vej I på forskellige tidspunkter. g) Udvikling af transmitterede bølgeretninger på k -retningsfeltet, når metadelen bevæger sig langs sti I og sti II, med hel linje (stjernesymboler), der angiver de simulerede (eksperimentelle) resultater. Her, det blå område angiver den solide vinkel for stråledyringsdækning. Kredit:X. Cai et al.
Som rapporteret i Avanceret fotonik , forskere fra Shanghai University og Fudan University udviklede en generel ramme og metadevices for at opnå dynamisk kontrol af THz -bølgefronter. I stedet for lokalt at kontrollere de enkelte meta-atomer i en THz metasurface (f.eks. via PIN -diode, varaktor, etc.), de varierer polariseringen af en lysstråle med roterende flerlags kaskade metaoverflader. De demonstrerer, at roterende forskellige lag (hver med en bestemt faseprofil) i en kaskaderet metadevne ved forskellige hastigheder dynamisk kan ændre den effektive Jones-matrix-egenskab for hele enheden, opnåelse af ekstraordinære manipulationer af bølgefronten og polariseringskarakteristika for THz -stråler. To metadeenheder er demonstreret:den første metadevice kan effektivt omdirigere en normalt hændende THz-stråle til at scanne over et bredt solidvinkelområde, mens den anden dynamisk kan manipulere både bølgefront og polarisering af en THz -stråle.
Dette arbejde foreslår en attraktiv alternativ måde at opnå billig dynamisk kontrol af THz-bølger. Forskerne håber, at arbejdet vil inspirere fremtidige applikationer i THz radar, samt bio- og kemisk sansning og billeddannelse.