本文介绍了一项关于太赫兹光学领域的重要研究，题为《具有VO2/Ge混合超表面的可重构太赫兹多功能波板》，由玲丽巴、杨全龙、杨日臣、亚鹏窦、范吴和安杨俊良等作者共同完成，发表于2024年9月的《光学信件》（Optics Letters）第49卷第5075页。该研究由中南大学物理学院和计算机科学与工程学院的研究团队主导，旨在通过VO2/Ge混合超表面实现太赫兹波的多功能偏振控制。

研究背景与动机

太赫兹波在医疗、安全筛选和无线通信等领域具有广泛的应用潜力，但其偏振状态的灵活控制一直是技术瓶颈。传统的太赫兹波板存在体积大、损耗高和带宽受限等问题。近年来，超表面（metasurface）技术的引入为偏振控制提供了新的解决方案，其紧凑、灵活和易于集成的特性在太赫兹光学中引起了广泛关注。然而，现有的超表面波板通常缺乏动态控制能力，无法在多个偏振态之间灵活切换。

为了解决这一问题，研究团队提出了一种基于VO2/Ge混合超表面的可重构多功能波板，利用连续波激光器（CWL）和脉冲激光器（PL）实现四分之一波板（QWP）、半波板（HWP）和全波板（FWP）之间的动态切换。VO2的光诱导相变和Ge的桥接控制在这一过程中起到了关键作用。

研究方法与实验设计

研究团队设计了一种由周期性排列的分裂环谐振器（SRRs）组成的超表面，底部为非晶态Ge薄膜和两个VO2岛。通过CWL和PL的激发，超表面可以在QWP、HWP和FWP之间进行功能切换。具体实验步骤如下：

1. 超表面设计与制备：超表面由四个SRRs组成，底部为金反射层、环烯烃共聚物（COC）层、非晶Ge薄膜和VO2岛。SRRs的几何尺寸经过精确设计，以实现最佳的偏振控制性能。

2. 激光激发与功能切换：在CWL激发下，VO2从绝缘态转变为金属态，导致超表面从QWP转变为HWP，反射率高达95%，线性偏振转换率接近99.9%。在PL激发下，Ge被激发为导电态，超表面进一步转变为FWP，表现出零线性偏振转换率和椭圆度。

3. 数值模拟与性能评估：通过有限元方法对超表面的光谱响应和偏振特性进行了详细分析。模拟中考虑了材料的电导率和介电常数变化，验证了超表面在不同状态下的性能。

研究结果

研究结果表明，所设计的超表面在0.65-0.72 THz频率范围内表现出优异的偏振控制性能： - QWP状态：在初始状态下，超表面作为QWP，反射振幅和相位差分别为1和90°，椭圆度接近1，表明其能够将线性偏振光转换为圆偏振光。 - HWP状态：在CWL激发下，超表面转变为HWP，反射振幅接近1，相位差为180°，偏振转换率超过99.9%，表明其能够将线性偏振光转换为正交偏振光。 - FWP状态：在PL激发下，超表面进一步转变为FWP，反射振幅接近1，相位差为360°，椭圆度接近0，表明其能够保持入射偏振状态不变。

此外，研究团队还通过电场分布分析揭示了超表面在不同状态下的物理机制，验证了VO2和Ge的电导率变化对偏振控制的关键作用。

结论与意义

该研究提出了一种基于VO2/Ge混合超表面的可重构多功能太赫兹波板，通过光诱导相变和桥接控制实现了QWP、HWP和FWP之间的动态切换。这一设计不仅克服了传统太赫兹波板的局限性，还为太赫兹光学器件的开发提供了新的思路。其科学价值在于揭示了VO2和Ge在偏振控制中的协同作用，应用价值则体现在其在成像、信息多路复用和多信道无线通信等领域的潜在应用。

研究亮点

1. 多功能偏振控制：首次实现了QWP、HWP和FWP之间的动态切换，突破了传统波板的单一功能限制。
2. 光诱导相变机制：利用VO2的光诱导相变和Ge的桥接控制，实现了高效且灵活的偏振调制。
3. 紧凑与可重构性：超表面设计紧凑，易于集成，且可通过外部激光器实现多功能控制，具有广泛的应用前景。

其他有价值的内容

研究团队还探讨了VO2和Ge电导率变化对超表面性能的影响，发现电导率的微小变化会导致偏振特性的显著改变。这一发现为未来优化超表面设计提供了重要参考。

该研究为太赫兹光学器件的开发提供了重要的理论和实验基础，展示了VO2/Ge混合超表面在先进偏振控制中的巨大潜力。