本文介绍了一项关于基于Ge2Sb2Te5（GST）的超材料器件的研究，该器件能够实现高效的交叉极化转换（cross-polarization conversion）和圆极化到线极化转换（circular-to-linear polarization conversion, CTL）。该研究由Yuanyuan Bai、Chunmei Ouyang、Shoujun Zhang等作者共同完成，研究团队来自天津大学精密仪器与光电子工程学院、大连理工大学光电工程与仪器科学学院等机构。研究成果于2023年11月2日发表在《Optics Letters》期刊上。

研究背景

太赫兹（THz）波段是电磁频谱中位于微波和红外光之间的重要区域，具有广泛的应用潜力，例如通信、光谱学和成像等领域。然而，由于缺乏高效且实用的功能器件，太赫兹技术的应用尚未得到充分开发。极化（polarization）是电磁波的基本属性之一，控制电磁波的极化状态在实际应用中至关重要。传统的极化调制器通常基于二向色晶体、双折射效应或光栅，但这些方法存在器件体积大、集成度低等问题。近年来，基于超材料的器件因其微小结构和多功能性而受到关注，但大多数超材料器件功能单一且效率较低。Ge2Sb2Te5（GST）作为一种可调材料，因其在非晶态和晶态下的不同光学特性，成为实现多功能器件的理想选择。

研究目标

本研究旨在设计一种基于GST的超材料器件，通过热激活诱导GST的晶化过程，实现反射模式下的交叉极化转换和透射模式下的圆极化到线极化转换。研究的目标是开发一种高效、宽带且可主动调控的太赫兹极化转换器件。

研究方法与流程

1. 器件设计与仿真
   研究团队设计了一种由两层金属结构、两层介质间隔层和一层GST薄膜组成的超材料单元结构。通过CST Microwave Studio软件进行仿真，模拟了器件在晶态和非晶态GST下的性能。仿真结果表明，在晶态GST下，器件在0.85–1.92 THz范围内实现了交叉极化转换；在非晶态GST下，器件在0.85–1.42 THz范围内实现了圆极化到线极化转换。

2. 样品制备与实验验证
   研究团队通过旋转涂布、蒸发、光刻和蚀刻等工艺制备了超材料样品。实验验证了器件在不同温度下的性能：在室温下，GST处于非晶态，器件表现出高透射率；在150°C加热后，GST转变为面心立方相，器件表现出部分晶态特性；在300°C加热后，GST完全晶化，器件表现出金属特性，实现了高效的交叉极化转换。

3. 实验结果分析
   实验结果表明，器件在晶态GST下的极化转换率（PCR）在0.82–2 THz范围内大于0.9，验证了其宽带交叉极化转换能力。在非晶态GST下，器件在0.85–1.42 THz范围内实现了圆极化到线极化转换，且实验数据与仿真结果高度吻合。

主要结果

1. 晶态GST下的交叉极化转换
   在晶态GST下，器件表现出金属特性，能够高效地将入射的x极化波转换为y极化波，极化转换率在0.82–2 THz范围内大于0.9。

2. 非晶态GST下的圆极化到线极化转换
   在非晶态GST下，器件表现出高透射率，能够将圆极化波转换为线极化波，转换效率在0.85–1.42 THz范围内达到较高水平。

3. GST的可调控性
   通过加热调控GST的晶化状态，器件能够在交叉极化转换和圆极化到线极化转换之间快速切换，展示了GST在太赫兹器件中的广泛应用潜力。

研究结论

本研究成功设计并验证了一种基于GST的超材料器件，能够在晶态和非晶态下分别实现高效的交叉极化转换和圆极化到线极化转换。该器件具有宽带、高效和可调控的特点，为太赫兹通信、成像和光谱学等领域的应用提供了新的解决方案。GST材料的引入进一步推动了太赫兹器件的发展，展示了其在多功能可调器件中的巨大潜力。

研究亮点

1. 多功能性：通过GST的晶化调控，器件实现了两种不同的极化转换功能，突破了传统超材料器件功能单一的局限。
2. 高效宽带性能：器件在0.82–2 THz范围内实现了高效的交叉极化转换，在0.85–1.42 THz范围内实现了圆极化到线极化转换，展示了宽带性能。
3. 可调控性：GST的晶化和非晶化过程可通过加热快速实现，为器件的主动调控提供了可能。

研究意义与价值

本研究为太赫兹波段的高效极化转换器件提供了新的设计思路，展示了GST材料在太赫兹器件中的广泛应用前景。该研究成果不仅具有重要的科学价值，还为太赫兹通信、成像和光谱学等领域的实际应用提供了技术支持。