[论文解读] Broadband switchable terahertz half-/quarter-wave plate based on a graphene-metal hybrid metasurface

Xiaoqing Luo, Juan Luo+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2021

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 31被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于石墨烯-金属混合超表面的宽带、可动态切换的太赫兹半波片（HWP）和四分之一波片（QWP）。通过将石墨烯费米能级从 0 eV 调节至 1 eV，该器件可在 0.7–1.3 THz 频段实现 HWP 功能（偏振转换比 >97%），在 0.78–1.33 THz 频段实现 QWP 功能（椭圆率 >0.92），共享工作带宽达 0.52 THz，相对带宽为 50%，显著宽于以往基于石墨烯的设计。

ABSTRACT

Metasurfaces incorporating graphene hold great promise for dynamic manipulation of terahertz waves. However, it remains challenging to design a broadband graphene-based terahertz metasurface with switchable functionality of half-wave plate (HWP) and quarter-wave plate (QWP). Here, we propose a graphene-metal hybrid metasurface for achieving broadband switchable HWP/QWP in the terahertz regime. Simulation results show that, by varying the Fermi energy of graphene from 0 eV to 1 eV, the function of the reflective metasurface can be switched from an HWP with polarization conversion ratio exceeding 97% over a wide band ranging from 0.7 THz to 1.3 THz, to a QWP with ellipticity above 0.92 over 0.78-1.33 THz. The sharing bandwidth reaches up to 0.52 THz and the relative bandwidth is as high as 50%. We expect this broadband and dynamically switchable terahertz HWP/QWP will find applications in terahertz sensing, imaging, and telecommunications.

研究动机与目标

• 解决利用基于石墨烯的超表面设计宽带、可动态调谐的太赫兹波片所面临的挑战。
• 克服现有文献中报道的基于石墨烯的 HWP/QWP 器件带宽狭窄的局限性。
• 实现在共享宽频带内同时、可切换地作为 HWP 和 QWP 的工作模式。
• 展示一种混合超表面设计，通过可调谐的石墨烯费米能级实现动态偏振控制。
• 为太赫兹传感、成像和通信等实际应用提供一个平台。

提出的方法

• 超表面单元结构由厚金膜上的垂直金条和石墨烯条带组成，中间夹有聚酰亚胺介质间隔层，形成金属-绝缘体-金属结构。
• 器件工作于反射模式，入射的线偏振太赫兹波以 45° 角相对于 x 轴入射，以激发正交偏振态。
• 通过电闸调控，将石墨烯的费米能级从 0 eV 调节至 1 eV，改变其表面阻抗，从而实现 HWP 和 QWP 功能之间的动态切换。
• 偏振转换比（PCR）和椭圆率通过反射系数 |r_xy|、|r_yy| 及其相位差 ΔΦ = ΔΦ_yy − ΔΦ_xy 计算得出。
• 宽带性能归因于金条带、石墨烯条带及底层金膜上表面电流激发的多种谐振模式（磁谐振和电谐振）的叠加。
• 采用全波电磁建模进行仿真，分析太赫兹频段内反射振幅、相位和斯托克斯参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于石墨烯-金属混合超表面能否在太赫兹波段实现宽带、可切换的 HWP 和 QWP 功能？
• RQ2 通过石墨烯调谐，可实现的 HWP/QWP 切换工作的带宽和相对带宽是多少？
• RQ3 石墨烯费米能级的调节能否实现 HWP 和 QWP 模式之间的动态切换？
• RQ4 该超表面宽带性能背后的物理机制是什么？
• RQ5 该超表面能否在宽频率范围内保持高偏振转换效率和椭圆率？

主要发现

• 在 0.7–1.3 THz 频段，该超表面实现的偏振转换比超过 97%，表现出 HWP 功能。
• 在 0.78–1.33 THz 频率范围内，椭圆率超过 0.92，表现出 QWP 功能。
• HWP 和 QWP 功能的共享工作带宽为 0.78–1.3 THz，总带宽为 0.52 THz。
• 50% 的相对带宽显著高于以往基于石墨烯的 HWP/QWP 设计（文献报道的相对带宽为 6% 至 22%）。
• 宽带性能归因于多种谐振模式的叠加，包括磁谐振和电谐振，该结论通过关键频率下的表面电流分布分布得到验证。
• 通过将石墨烯费米能级从 0 eV 调节至 1 eV，器件实现了 HWP 和 QWP 模式的动态切换，展示了单一器件内的全可重构性。