本文由Juan Luo、Xingzhe Shi、Xiaoqing Luo、Fangrong Hu和Guangyuan Li等作者共同撰写，分别来自桂林电子科技大学、中国科学院深圳先进技术研究院、华南师范大学等机构。该研究于2020年10月12日发表在《Optics Express》期刊上，题为《Broadband Switchable Terahertz Half-/Quarter-Wave Plate Based on Metal-VO2 Metamaterials》。该研究提出了一种基于金属-二氧化钒（VO2）超材料的宽带可切换太赫兹半波片（HWP）和四分之一波片（QWP），具有广泛的应用前景。

研究背景

电磁波的偏振态调控在基础物理和众多应用领域（如传感、成像和通信）中具有重要意义。传统的波片通常基于晶体或聚合物中的双折射或全内反射效应，但这些方法在带宽和动态可调性方面存在局限。近年来，超材料和超表面因其紧凑性、灵活性、宽带性和易于集成等优势，成为调控光偏振态的重要工具。然而，现有的超材料大多由金属或电介质制成，功能无法动态调节，限制了其应用。因此，开发具有宽带和动态可调功能的波片成为研究热点。

研究目标

本研究旨在设计一种基于金属-VO2超材料的宽带可切换太赫兹HWP/QWP，通过调节VO2的相态（绝缘态到导电态）实现功能的动态切换，并探索其在太赫兹成像、传感和通信系统中的应用潜力。

研究方法与流程

1. 超材料设计与仿真
   研究团队设计了一种多层金属-VO2超材料单元结构，包括金膜、环烯烃共聚物（COC）层和VO2薄膜。通过CST Microwave Studio软件进行数值仿真，评估了超材料的偏振转换性能。仿真中采用了自适应四面体网格细化技术，并使用了Drude模型描述VO2在太赫兹频段的频率依赖性介电常数。

2. 功能切换机制
   当VO2处于绝缘态时，超材料表现为HWP，能够将线性偏振光转换为正交偏振光，偏振转换率（PCR）超过98%，带宽为0.58-1.40 THz。当VO2转变为导电态时，超材料表现为QWP，能够将线性偏振光转换为圆偏振光，椭圆率（ellipticity）达到0.99，带宽为0.66-1.60 THz。两种功能共享0.66-1.40 THz的宽带范围，相对带宽达到71.8%。

3. 物理机制分析
   通过分析表面电流分布，研究团队揭示了超材料宽带性能的物理机制。在HWP模式下，双L形金谐振器与金膜之间的电流分布形成了多个磁共振和电共振，这些共振的叠加显著提高了带宽和传输效率。在QWP模式下，双T形VO2谐振器与VO2膜之间的电流分布同样形成了多个共振，确保了宽带性能。

4. 入射角度和几何参数的影响
   研究还探讨了入射角度和几何参数对超材料性能的影响。结果表明，设计的HWP/QWP在0°-20°的入射角度范围内表现出良好的性能，且在特定带宽内可扩展到0°-40°。此外，几何参数（如谐振器尺寸和层厚）的微小变化对性能影响较小，显示出较高的制造容差。

主要结果

1. HWP性能
   在VO2绝缘态下，超材料在0.58-1.40 THz范围内表现出高偏振转换率（PCR>98%），能够将线性偏振光高效转换为正交偏振光。

2. QWP性能
   在VO2导电态下，超材料在0.66-1.60 THz范围内表现出高椭圆率（χ>0.99），能够将线性偏振光高效转换为圆偏振光。

3. 宽带性能
   两种功能共享0.66-1.40 THz的宽带范围，相对带宽达到71.8%，显著优于现有技术。

4. 角度和几何容差
   超材料在0°-40°的入射角度范围内表现出良好的性能，且对几何参数的微小变化具有较高的容差。

结论与意义

本研究提出了一种基于金属-VO2超材料的宽带可切换太赫兹HWP/QWP，通过调节VO2的相态实现了功能的动态切换。该设计在宽带性能、角度容差和制造容差方面表现出色，具有广泛的应用前景，特别是在太赫兹成像、传感和通信系统中。此外，研究团队提出的多层金属-VO2结构设计方法可扩展到其他光谱范围，为未来开发更多动态可调功能器件提供了新思路。

研究亮点

1. 宽带性能：设计的HWP/QWP在0.66-1.40 THz范围内表现出高偏振转换率和椭圆率，相对带宽达到71.8%，显著优于现有技术。
2. 动态可调性：通过调节VO2的相态，实现了HWP和QWP功能的动态切换，具有广泛的应用潜力。
3. 高容差性：超材料在入射角度和几何参数变化下表现出良好的性能，显示出较高的制造和应用容差。
4. 创新设计：采用多层金属-VO2结构，结合双L形和双T形谐振器设计，显著提升了宽带性能和功能切换效率。

资助与声明

本研究得到了深圳市基础研究学科布局项目、国家自然科学基金、广西自然科学基金和广西研究生教育创新项目的资助。作者声明无利益冲突。