Volledige Terahertz-polarisatiecontrole met verbrede bandbreedte via diëlektrische metasurfaces

Resultaten en discussie

Om de prestaties van polarisatiecontrole te valideren, werden de siliciumpilaararrays gefabriceerd en gekarakteriseerd in een terahertz-tijddomeinspectroscoop (THz-TDS). Het fabricageproces is te vinden in de sectie Methoden. Als substraat wordt een dun borosilicaatglas (BF33, dikte 300 m) gekozen. Het SEM-beeld van een typisch voorbeeld voor het ontwerp met een fasevertraging van 270 ° wordt weergegeven in figuur 1c in een gekantelde weergave met een ingezoomd beeld als inzet. Om de prestatie van de meta-oppervlakken te karakteriseren, werden de elektrische velden van de uitgezonden terahertz-golf langs de korte en lange assen van de siliciumpilaren aangeduid als \(\overline{E}_{x}\) en \(\overline{E} _{y}\). Een kaal glassubstraat werd gemeten als referentie met de corresponderende uitgezonden elektrische velden van \(\overline{E}_{x({\rm ref})}\) en \(\overline{E}_{y({\ rm ref})}\). De transmissiecoëfficiënten werden uitgedrukt als \(\overline{t}_{x} =\overline{E}_{x} /\overline{E}_{x({\rm ref})}\) en \(\ overline{t}_{y} =\overline{E}_{y} /\overline{E}_{y({\rm ref})}\). De fasevertraging tussen twee orthogonale polarisaties werd berekend en aangeduid als \(\varphi =\varphi_{y} - \varphi_{x} =\arg (\overline{t}_{y} ) - \arg (\overline{t }_{x} )\). De details van het meetsysteem zijn te vinden in de sectie Methoden.

De gemeten transmissiecoëfficiënten en fasevertragingen van de diëlektrische meta-oppervlakken worden getoond in figuur 2b. Zoals te zien is, worden hoge transmissiecoëfficiënten binnen de ontworpen frequentiebereiken verkregen voor de gevallen van P90, P135, P180, P225 en P270, met de corresponderende fasevertragingen dichtbij 90°, 135°, 180°, 225° en 270° , respectievelijk. Er kan een kleine discrepantie tussen de gesimuleerde en gemeten resultaten worden waargenomen, die kan worden veroorzaakt door de groottefluctuatie tijdens het fabricageproces. Oppervlakteruwheid van de meta-oppervlakken kan een ander probleem zijn dat extra verlies met zich meebrengt en de transmissiecoëfficiënten verlaagt [30]. Daarnaast is het vermeldenswaard dat de substraateffecten, inclusief verliezen en reflecties, in detail worden besproken in Aanvullend dossier (zie Aanvullend dossier 1:Fig. S2). Toch valideren de vergelijkbare variatietrends tussen de gemeten en gesimuleerde resultaten de prestaties van de diëlektrische meta-oppervlakken voor polarisatiecontrole.

Om de prestaties van polarisatieconversie in de meta-oppervlakken volledig te onderzoeken, werd de ellipticiteit van de uitgezonden golf berekend, die is gedefinieerd als:

waar S ₀ en S ₃ zijn de Stokes-parameters die direct kunnen worden berekend op basis van de transmissiecoëfficiënten en fasevertragingen [29]. Zoals weergegeven in figuur 3, geven de simulatieresultaten een volledige dekking van de ellipticiteit van 1 tot -1. Over het algemeen laten de prestaties van polarisatieconversie in de buurt van 1,2-1,3 THz vergelijkbare variatietrends zien voor zowel de simulatie- als de experimentele resultaten. Sommige discrepanties treden op rond de 1,4 THz, die door twee aspecten kunnen worden veroorzaakt. Ten eerste wordt het substraat in simulatie behandeld als een verliesvrij materiaal met oneindige dikte, terwijl in experimenten het substraat duidelijke verliezen vertoont met een dikte van 300 m. Deze verliezen zouden de hoge Q . dempen resonanties (MD op 1,4 THz bijvoorbeeld) en de transmissiespectra afvlakken. Ten tweede zijn de geometrische parameters van de resonatoren in experimenten gevarieerd in vergelijking met die gedefinieerd in de simulatie. Een typisch voorbeeld is de breedte van de pilaar die geleidelijk varieert op verschillende hoogtes, wat toe te schrijven is aan het diepe reactieve ionenetsproces tijdens de fabricage. Deze geometrische parametervariaties zouden de multipolen verbreden en hun overlapping vergroten, en dus de individuele hoge-Q resonanties verslechteren als gevolg van de superpositie en interferentie. Kortom, het substraateffect en de variatie van de geometrieparameter in experimenten resulteren samen in de discrepanties in vergelijking met die in de simulatie rond 1,4 THz. Dergelijke discrepanties kunnen verder worden geminimaliseerd door substraten met weinig verlies te kiezen (bijv. kwarts, polyimide, SU8) met een kleine dikte en het fabricageproces te optimaliseren met betrekking tot de gesimuleerde parameters. Er wordt ook opgemerkt dat de werkfrequenties over het algemeen zijn ontworpen om op off-resonantiefrequenties te zijn, en dus zwak worden beïnvloed door de verslechtering van hoge Q resonantie.

een Gesimuleerd en b experimenteel gemeten ellipticiteit van verschillende diëlektrische meta-oppervlakken

Om multipolaire interferentie in de diëlektrische meta-oppervlakken te illustreren, worden de verstrooiingsdwarsdoorsneden (SCS's) van verschillende multipolen berekend door sferische multipooldecompositie met betrekking tot twee orthogonale polarisatierichtingen [19, 24]. De details van multipooldecompositie zijn te vinden in de sectie Methoden. Afbeelding 4 toont de berekende SCS's van verschillende diëlektrische meta-oppervlakken onder x - en y -gepolariseerde incidenten. Eerst voor P90 draagt ​​de magnetische dipoolresonantie (MD) bij aan de algehele SCS bij 1,4 THz onder x -gepolariseerde incidentie, terwijl onder y -gepolariseerd licht komt het voornamelijk voor bij 1,18 THz. Bij een hoger frequentiegebied rond 1,42 THz vertonen de componenten voor elektrische dipool (ED), elektrische quadrupool (EQ) en magnetische quadrupool (MQ) duidelijke bijdragen aan de SCS's onder y -gepolariseerd licht. Bij het vergelijken van de SCS's onder x - en y - gepolariseerde incidenten, in hun overlappende gebied tussen 1,2 en 1,3 THz, zorgen de off-resonantiecondities voor hoge transmissiecoëfficiënten, terwijl de interferentie tussen verschillende multipolen verschillende fasedispersiecurven opheft voor twee orthogonale polarisatierichtingen. Met een juiste balans tussen verschillende multipolen kan een bepaalde fasevertraging met hoge transmissiecoëfficiënten en bredere bandbreedtes worden bereikt, wat in ons geval overeenkomt met de fasevertraging van 90 °. Voor de gevallen van P135, P180 en P225 vertonen de bijdragen van ED, MD, EQ en MQ een vergelijkbare variatietrend als het geval van P90 met subtiele verandering van de resonantiefrequenties en modusoverlapping, die duidelijk de functionaliteit van multipolaire interferentie voor de polarisatie controle. In het geval van P270 daarentegen vereist de fasevertraging van 270° een gigantische fasedispersie met hoge transmissie in een brede band, wat nauwelijks kan worden gerealiseerd via de off-resonantieconditie. Om dit probleem op te lossen, ontwerpen we de in-resonantievoorwaarde voor de P270-behuizing. Onder x -gepolariseerde incidentie, de resonantiemodi van ED, MD en MQ vertonen duidelijke bijdragen aan de SCS's tussen 1,2 en 1,3 THz. Onder y - gepolariseerde incidentie, de MD-resonantie domineert bij 1,39 THz. De multipolaire interferentie-effecten leiden dus tot een hoge transmissie in een brede band met een fasevertraging van 270°.

Meerpolige ontleding van de SCS's voor de ED-, MD-, EQ- en MQ-resonanties onder a x - en b j -gepolariseerde incidenten

Vergeleken met andere bestaande ontwerpen, maakt ons voorgestelde ontwerp een enkellaags platform mogelijk voor volledige terahertz-polarisatiecontrole. Wat nog belangrijker is, de fasevertraging van ons ontwerp kan worden gewijzigd van 90 ° tot 270 °, waarbij verschillende polarisatietoestanden worden bestreken, waaronder circulaire polarisatie, elliptische polarisatie en cross-lineaire polarisatie, wat een uitdaging is om te bereiken in andere bestaande ontwerpen (tabel 1) . Ondertussen kunnen de bandbreedte en efficiëntie van ons ontwerp beter presteren dan andere bestaande enkellaagse ontwerpen. Opgemerkt moet worden dat hoewel meerlagige ontwerpen betere prestaties bieden in vergelijking met ons ontwerp, deze meerlagige metastructuren complexe ontwerp- en fabricageprocessen vereisen, die hun toepassingen in compacte terahertz optische systemen beperken. Bovendien realiseren onze ontwerpen verschillende polarisatieconversies, terwijl de meeste meerlaagse ontwerpen beperkte fasevertragingen realiseren met een enkele polarisatieconversiefunctie.