[论文解读] Broadband Circular-to-Linear Polarization Conversion of Terahertz Waves Using Self-Complementary Metasurfaces

Andrey Sayanskiy, С. А. Кузнецов+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2018

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 5被引用 7

一句话总结

本文提出了一种由铝膜上交替排列的矩形贴片和通孔构成的自互补超表面，用于在230–540 GHz频段实现超宽带的圆极化到线极化转换。该设计利用平移对称性，实现了频率无关的传输幅度和线性变化的偏振角，从而在保持高效率的同时实现超宽带偏振控制，具有潜在的波束分裂应用价值。

ABSTRACT

In this work, we theoretically and experimentally study the conversion from a circularly polarized plane electromagnetic wave into a linearly polarized transmitted one using anisotropic self-complementary metasurfaces. For this purpose, a metasurface design operable at sub-terahertz frequencies is proposed and investigated in the range of 230-540 GHz. The metasurface is composed of alternating complementary rectangular patches and apertures patterned in an aluminum layer deposited on a thin polypropylene film. The term extit{self-complementary} implies that the pattern is invariant with respect to its inversion (with some translation). Our study shows that the translational symmetry of the metasurface results in unusual and useful electromagnetic properties under illumination with circularly polarized radiation beams. In particular, alongside with broadband circular-to-linear conversion, the transmitted wave exhibits a frequency independent magnitude, while its polarization angle gradually changes with frequency that paves the way for new beam-splitting applications.

研究动机与目标

• 开发一种用于太赫兹波段高效圆极化到线极化转换的超宽带超表面。
• 通过利用自互补对称性，克服窄带偏振转换器的局限性，实现传输特性的频率恒定。
• 通过实验验证，自互补超表面中的平移对称性可实现超宽带工作，且传输幅度稳定、偏振角可控。
• 通过可调偏振响应，为准光学系统中的新应用（如波束分离器）提供支持。

提出的方法

• 在聚丙烯基底上设计一种由交替矩形金属贴片和通孔构成的自互补超表面。
• 利用巴比内原理，确保结构在金属-通孔互换下保持不变。
• 通过光刻工艺和金属沉积在薄而拉伸的聚丙烯薄膜上进行制备，实测尺寸与设计值偏差小于1%。
• 使用准光学马赫-曾德尔干涉仪，结合230–540 GHz频段的返波振荡器（BWO）光源，测量复数传输系数。
• 采用锁相检测技术，通过斩波器和振动镜分别实现幅度和相位测量。
• 通过线性基底下的复电场分量变换方程，计算圆极化传输特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 自互补超表面是否能在太赫兹波段实现超宽带的圆极化到线极化转换？
• RQ2 超表面设计中的平移对称性是否能导致圆极化波的传输幅度频率无关？
• RQ3 此类结构中透射波的偏振角如何随频率变化？
• RQ4 该超表面是否能在宽频带内保持高传输效率，同时实现可控的偏振旋转？
• RQ5 理论预测的超宽带偏振转换性能是否得到实验验证？

主要发现

• 该超表面在230–540 GHz频段内实现了超宽带的圆极化到线极化转换，且传输幅度几乎保持恒定（频率无关）。
• 透射波的偏振角随频率线性变化，从而实现可调波束分裂功能。
• 实测传输幅度在整个频带内稳定在约0.25，与自互补结构的理论预测一致。
• 透射波的轴比在整个频带内接近1，表明输出为高质量的线极化。
• 实验结果与理论模型高度吻合，幅度和相位响应均验证了其超宽带性能。
• 所制备的超表面因薄膜拉伸导致尺寸与设计偏差约1%，但仍保持功能性的超宽带特性。