本文由Yannan Jiang、Lei Wang、Jiao Wang、Charles Nwakanma Akwuruoha和Weiping Cao等作者共同撰写，发表于2017年10月24日的《Optics Express》期刊。研究团队来自中国桂林电子科技大学的广西无线宽带通信与信号处理重点实验室、认知无线电与信息处理教育部重点实验室，以及英国曼彻斯特大学的电气与电子工程学院。该研究提出了一种基于超表面（metasurface）的超宽带高效反射式线性到圆极化（linear-to-circular, LTC）转换器，工作于太赫兹（terahertz, THz）频段。

学术背景

电磁波的极化转换，尤其是线性到圆极化（LTC）转换，在实际应用中具有重要意义。超表面作为一种周期性或准周期性的亚波长结构，因其独特的电磁特性和对电磁波的操控能力，近年来受到广泛关注。超表面具有低剖面（易于集成到超薄设备中）和低吸收（易于实现高效率）的特点，因此在电子对抗、卫星通信等领域展现出巨大潜力。然而，现有的LTC极化转换器大多工作在GHz频段，且带宽较窄，难以满足太赫兹频段的需求。因此，本研究旨在设计一种在太赫兹频段下具有超宽带、高效率的反射式LTC极化转换器。

研究流程

本研究的设计基于超表面，由周期性单元组成，每个单元由一个双分裂谐振方环、介质层和全反射金镜构成。具体设计参数如下：双分裂谐振方环的厚度为200纳米，介质层采用聚酰亚胺材料，介电常数为3，损耗角正切为0.001，厚度为47微米。研究通过CST Microwave Studio软件进行仿真，采用频域求解器，并在x和y方向设置周期性边界条件以模拟无限周期阵列。入射波为y极化平面波，反射波的电场分量通过反射系数和相位差进行分析。

主要结果

在0.60至1.41 THz的频率范围内，反射系数的幅值约为0.7，且两个正交电场分量之间的相位差接近90°或-270°，表明反射波为左旋圆极化（LHCP）波。此外，在1.48至1.54 THz的频率范围内，反射波为右旋圆极化（RHCP）波。通过斯托克斯参数（Stokes parameters）和椭圆度分析，进一步验证了极化转换的性能。结果表明，该设计的相对带宽达到80%，转换效率超过88%。此外，研究还通过电流分布揭示了极化转换的物理机制。

结论

本研究成功设计了一种基于超表面的超宽带高效反射式LTC极化转换器，工作于太赫兹频段。该转换器在0.60至1.41 THz频率范围内实现了左旋圆极化转换，相对带宽达到80%，效率超过88%。此外，在1.48至1.54 THz频率范围内实现了右旋圆极化转换。通过电流分布分析，揭示了极化转换的物理机制。该设计在电磁测量、天线设计和隐身技术等领域具有潜在应用价值。

研究亮点

1. 超宽带和高效率：该设计在太赫兹频段实现了80%的相对带宽和超过88%的转换效率，显著优于现有设计。
2. 多共振特性：通过优化几何参数，设计利用了多共振特性，实现了超宽带工作。
3. 物理机制揭示：通过电流分布分析，深入揭示了极化转换的物理机制，为后续研究提供了理论支持。
4. 应用潜力：该转换器在电磁测量、天线设计和隐身技术等领域具有广泛的应用前景。

其他有价值的内容

研究还探讨了入射角度和介质层厚度对极化转换性能的影响。结果表明，该设计在入射角度为0°至20°时，仍能保持良好的圆极化转换性能。此外，介质层厚度对性能有显著影响，当厚度为47微米时，极化转换性能最佳。

资助信息

本研究得到了中国国家自然科学基金（NSFC）、广西自然科学基金、桂林电子科技大学创新团队项目、广西无线宽带通信与信号处理重点实验室主任项目以及桂林电子科技大学研究生教育创新项目的资助。

综上所述，本研究在太赫兹频段的极化转换领域取得了重要进展，为相关应用提供了新的技术解决方案。