Метаустройство для динамического управления волновыми фронтами ТГц диапазона путем вращения слоев каскадных метаповерхностей. Предоставлено: Шанхайский университет.
Каскадные метаповерхности для динамического управления фронтами ТГц волн
Электромагнитные (ЭМ) волны в терагерцовом (ТГц) режиме используются для важных приложений в области связи, визуализации безопасности, а также био- и химического зондирования. Такая широкая применимость привела к значительному техническому прогрессу. Однако из-за слабого взаимодействия между природными материалами и волнами ТГц обычные устройства ТГц обычно громоздки и неэффективны. Хотя сверхкомпактные активные устройства ТГц диапазона действительно существуют, современные электронные и фотонные подходы к динамическому управлению не обладают эффективностью.
В последнее время быстрое развитие метаповерхностей открыло новые возможности для создания высокоэффективных сверхкомпактных устройств ТГц диапазона для динамического управления волновым фронтом. Ультратонкие метаматериалы, образованные субволновыми планарными микроструктурами (то есть метаатомами), метаповерхностями позволяют настраивать оптические отклики для управления фронтами электромагнитных волн. Создавая метаповерхности, которые обладают определенными заранее заданными фазовыми профилями для проходящих или отраженных волн, ученые продемонстрировали увлекательные эффекты манипулирования волнами, такие как аномальное отклонение света, манипуляция поляризацией, фотонный спин-холл и голограммы.
Демонстрация метаустройства динамического управления лучом: (а) Схема метаустройства, которое состоит из двух слоев пропускающих метаповерхностей, выровненных с помощью моторизованного вращающегося столика. (b) вид сверху (слева) и (c) вид снизу (справа) SEM-изображения изготовленного метаустройства. (d) Схема экспериментальной установки, показанная для характеристики метаустройства. (e) Экспериментальное и (f) моделируемое распределение мощности рассеяния в дальней зоне с метаустройством, освещенным светом LCP на 0.7 ТГц, и развивающимся вдоль пути I в разные моменты времени. (g) Эволюция направлений прошедших волн на сфере направления k при движении метаустройства по Пути I и Пути II, при этом сплошная линия (звездочки) обозначает смоделированные (экспериментальные) результаты. Здесь синяя область обозначает телесный угол для покрытия управления лучом. Предоставлено: X. Cai et al., Doi 10.1117 / 1.AP.3.3.036003.
Более того, интеграция активных элементов с отдельными метаатомами внутри пассивных метаповерхностей позволяет создавать «активные» метаустройства, которые могут динамически манипулировать фронтами электромагнитных волн. Хотя активные элементы в глубоких субволновых диапазонах легко найти в микроволновом режиме (например, PIN-диоды и варакторы) и успешно внести свой вклад в активные метаустройства для управления лучом, программируемых голограмм и динамической визуализации, их трудно создать на частотах выше ТГц. . Эта трудность связана с ограничениями по размерам и значительными омическими потерями в электронных схемах. Хотя терагерцовые частоты могут управлять терагерцовыми лучами единообразно, они, как правило, не могут динамически манипулировать фронтами терагерцовых волн. В конечном итоге это происходит из-за недостатков в возможностях локальной настройки на глубинных субволновых масштабах в этой частотной области. Поэтому разработка новых подходов, позволяющих избежать локальной настройки, является приоритетом.
Как сообщается в Продвинутая Фотоника, исследователи из Шанхайского университета и Университета Фудань разработали общую структуру и метаустройства для достижения динамического управления фронтами ТГц волн. Вместо того, чтобы локально управлять отдельными метаатомами в метаповерхности ТГц (например, через PIN-диод, варактор и т. Д.), Они изменяют поляризацию светового луча с помощью вращающихся многослойных каскадных метаповерхностей. Они демонстрируют, что вращение разных слоев (каждый демонстрирует определенный фазовый профиль) в каскадном метаустройстве с разными скоростями может динамически изменять эффективное свойство матрицы Джонса всего устройства, достигая необычных манипуляций с волновым фронтом и характеристиками поляризации терагерцовых лучей. Демонстрируются два метаустройства: первое метаустройство может эффективно перенаправлять нормально падающий ТГц луч для сканирования в широком диапазоне телесных углов, а второе может динамически манипулировать как волновым фронтом, так и поляризацией ТГц луча.
Эта работа предлагает привлекательный альтернативный способ достижения недорогого динамического управления ТГц волнами. Исследователи надеются, что эта работа вдохновит на будущее применение терагерцовых радаров, а также био- и химического зондирования и визуализации.
Ссылка: «Динамическое управление терагерцовыми волновыми фронтами с каскадными метаповерхностями» Сяодун Цай, Жун Тан, Хаоян Чжоу, Цюши Ли, Шаоджи Ма, Дуньи Ван, Тонг Лю, Сяохуэй Лин, Вэй Тан, Цюн Хэ, Шии Сяо и Лэй Чжоу, 26 июня. 2021 г., Продвинутая Фотоника.
DOI: 10.1117 / 1.AP.3.3.036003
