隨著太赫茲技術的迅速發展，基于太赫茲的超材料的應用擁有了更多可能性，在濾波器、調制器、偏振轉換器、吸收器等許多方面的應用都受到了諸多關注。石墨烯、液晶（LC）、二氧化釩（VO?）等可調諧材料的出現，為功能性超材料器件的開發提供了新的途徑。VO?作為一種典型相變材料，通過各種激勵方式（如熱、電等）可使其發生相變，在溫度變化時，其電導率會發生近4個數量級的變化，同時也會呈現出不同的狀態，這使得VO?適用于設計多功能超材料器件。
據麥姆斯咨詢報道，近期，中國計量大學和天津大學的聯合科研團隊在《中國光學（中英文）》期刊上發表了以“二氧化釩輔助的可切換多功能超材料結構”為主題的文章。該文章第一作者為陳欣怡，通訊作者為中國計量大學嚴德賢副教授，主要從事太赫茲微波技術及器件的研究工作。
本文提出了一種基于VO?相變特性的開口諧振環結構多功能超材料偏振轉換器件。該器件由VO?填充的開口諧振環和中心放置十字的頂層、聚酰亞胺（PI）介質層和金屬基底構成。VO?在絕緣態時，可以實現交叉極化轉換功能，在0.48~0.87 THz范圍內，偏振轉換率大于90%。當VO?為金屬態時，該器件能夠實現雙頻吸收和高靈敏度傳感功能。在1.64 THz和2.15 THz頻率處的吸收率大于88%。通過改變樣品材料的折射率，兩個頻率點處的傳感靈敏度分別約為25.6 GHz/RIU和159 GHz/RIU，品質因子Q分別為71.34和23.12。所提出的超材料多功能器件具有結構簡單、可切換功能和高效率極化轉換等特性，在未來太赫茲通信、成像等領域都有潛在的應用價值。
本文提出的超材料多功能器件的單元結構如圖1所示。該單元結構從上至下依次是由VO?填充的開口諧振環和金屬十字結構構成的頂層結構、PI介質層及底部金屬層。本文使用CST Microwave Studio軟件對提出的結構及其特性進行仿真研究。太赫茲波沿著z方向垂直入射到超材料結構表面。仿真時，在x和y方向上添加單元周期邊界，在z方向添加開放邊界條件。
圖1 所提出的多功能超材料器件的結構示意圖。（a）三維視圖；（b）俯視圖；（c）側視圖。
參數優化之后，設定其結構單元的周期Px=Py=100 μm，圓環開口角度α=30°，開口圓環外半徑R?=45 μm，開口圓環內半徑R?=42 μm，中心十字的較長邊為b=32 μm，中心十字的較短邊為a=10 μm，PI介質層的相對介電常數為ε=3.5，損耗角正切值為tan δ=0.0027，厚度為Z?=45 μm。底層金屬材料為金，其厚度為Z?=0.1 μm，電導率為σ（gold）=4.09×10? S/m。根據之前的研究結果，可以使用Drude模型來描述VO?在太赫茲波段的特性。通過外部電場、光場和溫度場的作用，能夠在較短的時間內改變VO?的相變特性，進而影響VO?的電導率。在本文中，當VO?的電導率從小于100 S/m變化為高于200000 S/m時，VO?可以從絕緣態變化為金屬態，能夠實現不同的功能。
VO?為絕緣態時超表面為偏振轉換器
當VO?處于絕緣態時，該結構可以看作是一個偏振轉換器件，能夠實現線偏振-線偏振和線偏振-圓偏振轉換。工作帶寬和轉換效率是超材料偏振轉換器的重要性能指標。
基于優化后的幾何參數，在VO?處于絕緣態（電導率為20 S/m）時，對0.2~1.2 THz范圍內的超材料結構進行仿真，得到了兩種模式下的共極化反射和交叉極化反射系數。由于該結構在x和y方向具有對稱性，在正常入射條件下，TE模和TM模是簡并的，對偏振極化角不敏感，故本文提出的結構在TE模TM模下共極化反射系數與交叉極化反射系數是相同的，如圖2（a）所示。在0.48~0.87 THz頻率范圍內，共極化反射系數相對較低，而交叉極化反射系數較高，可以實現交叉偏振轉換。在頻率為0.41 THz和1.0 THz處，交叉極化反射系數和共極化反射系數相等，可以實現線偏振-圓偏振轉換。圖2（b）給出了計算得到的偏振轉換率。從圖2（b）可以看出，在0.48~0.87 THz頻率范圍內，線偏振-交叉線偏振的偏振轉換效率高于90%，并且在0.52 THz、0.66 THz和0.85 THz頻率處的轉換效率接近100%，能夠實現完美線偏振-線偏振轉換。由圖2可知，在0.4 THz頻率附近PCR曲線有明顯的峰谷。這是由于在該頻點附近存在線偏振-圓偏振轉換，在該頻點處線-線偏振轉換效率受到交叉極化反射和共極化反射轉換產生的電磁波極化偏移的影響導致偏振轉換效率下降。同時，通過對0.41 THz和1.0 THz處的轉換特性進行分析，可以發現在這兩個頻率處能夠實現線偏振-圓偏振轉換，可以將入射的線偏振太赫茲波轉換為圓偏振太赫茲波。
圖2 仿真得到的（a）反射系數和（b）不同偏振入射的PCR
另外，由于超材料結構的工作性能在一定程度上受幾何結構參數的影響，為得到最理想的參數，本文研究了結構幾何參數對工作性能的影響。在研究過程中，除一個待研究參數改變外，其他參數保持初始設置不變。分別研究了參數b、Z?和R?對偏振轉換率的影響，如圖3所示。如圖3（a）所示，偏振轉器的工作帶寬隨著中心十字較長邊長度b的增加而減小，帶寬變窄，且較高頻率處的完美偏振轉換頻率呈紅移的趨勢。由圖3（b）可知，介質層厚度Z?對該結構偏振轉換率的影響較小。由圖3（c）可知，當開口諧振環外半徑R?從43 μm增加到48 μm時，偏振轉換帶寬的低頻部分受到的影響較大，偏振轉換率降低，但高頻部分的偏振轉換帶寬受到影響較小。基于上述分析，在現有的器件加工條件下，當結構參數在一定范圍內變化時，對偏振轉換性能的影響是可接受的。
圖3 當VO?處于絕緣態時，結構參數對偏振轉換率的影響。（a）中心十字長邊長b；（b）介質厚度Z?以及（c）開口諧振環外半徑R?
上述分析結果表明，本文提出的超材料多功能偏振轉換器件能夠在較寬的頻率范圍內實現高效率的偏振轉換。其可應用在醫學成像、偏振轉換器件的研制等方面。由于頻譜資源充足，太赫茲通信具有比現有微波通信更高的數據容量，偏振和軌道角動量（OAM）復用可以進一步增加信息容量。通過偏振轉換來操縱超表面的輸出電磁場，可實現諸如平面透鏡、光束偏轉器、全息成像和渦旋波發生器等各種功能器件。
當VO?處于金屬態時超材料結構性能分析
當VO?處于金屬態時，由VO?填充缺口的開口諧振環可以近似看作是一個圓環。此時，所設計的超材料結構可以實現雙頻吸收和傳感功能。
金屬態時作為雙頻吸收器
當VO?處于金屬態時，所提出的太赫茲超材料能夠實現吸收功能，并研究了其光學特性。當VO?處于金屬態時，計算了超材料結構作為吸收器時的相關工作性能，以及相對阻抗的實部和虛部，結果如圖4（a）所示，其中黑色實線表示吸收光譜A（ω），藍色和紅色虛線分別表示吸收器共極化反射和交叉極化反射。從圖4（a）中可以看出，在1.64 THz和2.15 THz頻率處可以觀察到2個不同的吸收峰，吸收率大于88%。且1.64 THz處的吸收峰的帶寬小于2.15 THz頻率處的吸收峰帶寬。
下面將運用阻抗匹配理論闡明吸收器的工作機理。吸收器的相對阻抗的實部和虛部均可由S參數反演法導出。圖4（b）給出了所提出吸收器的吸收譜和相對阻抗實部和虛部。從圖中可以看出，在1.64 THz和2.15 THz頻率處的兩個吸收峰附近，相對阻抗的實部逐漸接近于1，虛部逐漸接近于0，在這兩個頻率處實現了吸收器和空氣之間的阻抗匹配。需要說明的是，由于所設計的超材料器件的單元結構具有對稱性，當偏振角為90°時，能夠得到大致相同的吸收特性，相關結果在文中沒有給出。
圖4 VO?處于金屬態時，所設計的超材料結構的吸收特性。（a）反射系數和吸收特性；（b）相對阻抗的實部和虛部
當VO?處于金屬態時，研究了部分幾何參數（b、R?、Z?）對所設計超材料結構的太赫茲吸收特性的影響，如圖5所示。由圖5（a）可以看出，超材料結構頂層中心十字長邊長b的變化會引起吸收諧振峰的輕微紅移，且隨著b的增加，高頻處的吸收也有輕微降低。從圖5（b）能夠看出，隨著介質層Z?從43 μm增加到47 μm，低頻處的吸收峰具有一定程度的紅移，且吸收率從接近100%下降到70%左右。相較于低頻處的吸收峰，高頻處的吸收峰表現出較為顯著的紅移現象，吸收率變化不大。從圖5（c）可以看出，當頂層圓環結構外半徑R?從43 μm增加到47 μm時，低頻處的吸收峰呈現輕微的藍移現象，且吸收率略微升高，高頻處的吸收峰出現輕微紅移趨勢，但吸收率增加明顯。
圖5 吸收器單元結構參數對太赫茲吸收率的影響。（a）中心十字長邊長b；（b）介質層厚度Z?；（c）開口諧振環半徑R?
為進一步研究本器件的吸收機理，研究了當入射太赫茲波為TE偏振波時，該吸收結構在兩個吸收峰（1.64 THz和2.15 THz）處的頂層微結構的電場分布，如圖6所示。圖6（a）給出了頻率為1.64 THz處微結構上的電場分布，該頻率處的電場主要分布在中心十字結構的末端處，與底部金屬薄膜層存在很強的耦合，引起了此頻率處太赫茲波的吸收。而如圖6（b）所示，在頻率為2.15 THz處，電場主要均勻分布在頂層的圓環結構上，導致此處太赫茲波的吸收。
圖6 頂層微結構在諧振頻率。（a）1.64 THz和（b）2.15 THz處的電場分布
最后，本文對不同偏振（TE偏振和TM偏振）入射太赫茲在不同入射角度時的吸收特性進行了研究。從圖7（a）可以看出，對于TE偏振入射太赫茲波，當入射角增加時，低頻處的吸收峰分裂為兩個；高頻處的吸收峰表現出紅移趨勢，且在入射角大于20°時此處吸收峰的諧振逐漸轉移到另一個吸收峰上。從圖7（b）可以看出，入射角度對TM偏振入射太赫茲波的影響較大，當入射角度大于20°時，吸收特性受影響較大，且分裂為多個頻率范圍的吸收區域。
圖7 不同入射角的超材料結構吸收特性。（a）TE偏振入射；（b）TM偏振入射
金屬態時作為傳感器
根據太赫茲超材料的傳輸特性，本文提出的超材料結構能夠對不同折射率的外部介質表現出良好的傳感特性，可通過改變背景介質的折射率得到吸收的變化特性。由此，對該結構在1.64 THz和2.15 THz頻率處的傳感特性進行研究。將不同折射率的待測介質層設置在該超材料結構的頂層用來模擬傳感樣品環境。如圖8（a）所示，隨著折射率從1.0增加到1.25，兩個吸收峰呈現紅移的變化趨勢，這表明該結構對外界環境的介電常數比較敏感，所以這種結構在傳感方面具有較大的應用潛力。靈敏度是衡量傳感器靜態特性的一個重要指標，可以通過靈敏度來衡量折射率傳感器的性能。對于低頻諧振頻率1.64 THz處的吸收峰，通過線性擬合，可求得該諧振頻率處的傳感靈敏度約為25.6 GHz/RIU，如圖8（b）所示。對于較高諧振頻率2.15 THz處的吸收峰，通過線性擬合可得該頻率處的傳感靈敏度約為159 GHz/RIU，如圖8（c）所示。相比較而言，較高頻率吸收峰處的傳感靈敏度較高。傳感器的質量因子Q可以表示為Q＝f?/?f，其中，f?是諧振吸收峰的諧振頻率，?f是諧振頻率處的半高寬度。通過計算，在1.64 THz和2.15 THz處吸收峰的Q因子分別為71.34和23.12。綜上分析，與其他傳統材料的傳感器相比，該結構靈敏度高，傳感性能良好，且響應速度優于傳統傳感器。該結構在金屬態時，實現的吸收和傳感功能均可應用在能量采集和光學傳感中，可拓展到太赫茲成像、檢測等領域。基于超材料吸收器的生物傳感可以通過增強局域電磁諧振，實現亞波長分辨，大大提高傳感器的分辨率與靈敏度。目前基于超材料的太赫茲傳感器已被廣泛應用于蛋白質濃度檢測、病毒檢測、癌細胞及其標記物檢測。
（a）吸收特性隨待測樣品折射率的變化情況；（b）1.64 THz頻率處的傳感特性；（c）2.15 THz頻率處的傳感特性
本文提出一種基于VO?相變特性的開口諧振環結構多功能超材料器件，該器件在VO?處于不同條件下可實現功能切換。當VO?處于絕緣態時，此結構作為偏振轉換器可實現高效率的線偏振-線偏振轉換，在0.48~0.87 THz頻率范圍內，偏振轉換率大于90%。當VO?處于金屬態時，可以實現雙頻吸收和高靈敏度傳感功能。在1.64 THz和2.15 THz頻率處具有2個不同的吸收峰，吸收率大于88%。接著研究了在這兩個頻率點處的傳感特性，通過改變樣品材料的折射率得出，兩個頻率點處的傳感靈敏度分別約為25.6 GHz/RIU和159 GHz/RIU，而兩個頻率點處的Q因子分別為71.34和23.12，展現出優良的傳感性能。同時還研究了結構參數對偏振轉換性能和吸收性能的影響，從而為樣品的實際加工提供參考。本文提出的超材料器件具有結構簡單、調諧范圍廣、多功能應用等特點，大大提升了器件實用可行性，并為太赫茲波段多功能器件的研究提供了思路。
這項研究獲得國家級大學生創新創業訓練計劃資助項目（202110356012）和國家自然科學基金（62001444）的資助和支持。
http://www.chineseoptics.net.cn/cn/article/doi/10.37188/CO.2022-0195
