研究背景：

面向太赫兹通信、成像和传感等应用，波束调控正从单一传播通道向多通道、全空间方向发展。要实现这一目标，器件需要对透射侧和反射侧的电磁波进行协同控制。现有太赫兹超表面多采用单层结构，可利用的电磁共振自由度有限，通常只能在单一透射或反射通道内工作。即使引入相变材料、石墨烯或微机电系统，许多可调超表面仍主要实现单一通道内的幅值调制或功能切换，难以在紧凑器件中同时获得多种工作模式、完整相位覆盖和较高效率。因此，增加器件的电磁调控自由度，并在透射与反射空间建立多个可独立利用的工作模式，是实现可编程全空间太赫兹调控需要解决的关键问题。

文章概述：：

针对这一问题，上海大学微电子学院杨丰瑗课题组提出了一种可编程双层VO₂太赫兹超表面。与利用材料相变简单调节响应强弱的常见方案不同，该工作以VO₂的绝缘-金属相变主动重构双层单元中的导电路径和共振对称性，在同一结构中建立一种透射模式和两种反射模式。进一步结合Pancharatnam-Berry（PB）相位，三种模式均实现连续0-2π相位覆盖，目标通道幅值均高于0.6。模式选择、传播空间切换和局域相位编码因而被统一到一套紧凑架构中，并通过实验验证了三种模式下波束赋形功能。

图文导读：

图1. 双层VO₂超表面的工作原理。VO₂处于绝缘态时，器件工作于透射模式；VO₂转变为金属态后，结构中形成两种不同电流对称性的反射模式

该超表面由顶部金属层、蓝宝石衬底和集成VO₂的底层组成。单元中的方形开口环建立主要共振，双E形分支用于协调三种模式的频率和幅值，外围金属环则维持阵列中的电连接。顶部结构提供稳定的散射基准，底层VO₂负责改变局域阻抗和电流路径。这一分工使双层结构既能支持电、磁响应的协同，又能通过材料相变调节层间耦合，为多模态工作提供了单层结构难以获得的自由度。

当VO₂处于绝缘态时，底层VO₂区域近似为电容间隙。上下两层激发幅值接近、方向相反的表面电流，向后的辐射受到抑制，器件因而在0.223 THz附近形成透射主导模式。当VO₂转变为金属态后，原本断开的回路被接通，局域电流路径随之重组，并在0.254 THz和0.334 THz附近分别产生偶对称和奇对称反射模式。利用VO₂相变改变单元内部的共振拓扑及其对称性，使单个器件能够容纳三种工作模式。

图2. 双层超表面单元结构。（a）双层单元示意图；（b）顶部金属结构；（c）集成VO?的底层结构。整体旋转单元引入PB相位

多模态响应只有和独立的相位编码结合，才能进一步用于波前塑形。研究人员整体旋转超表面单元，引入与旋转角直接相关的PB相位。由八种旋转单元组成的梯度超单元在三个工作频率附近均获得接近0-2π的相位覆盖，同时保持高于0.6的目标通道幅值。VO₂材料相态负责重构共振并选择透射或反射通道，几何旋转负责写入局域相位；二者分别控制工作空间和波束传播方式，避免模式切换和相位设计相互牵制。

图3. 梯度超单元在三种工作模式下的交叉极化响应。（a）八种旋转单元的相位和幅值；（b）模式1的透射频谱；（c）模式2和模式3的反射频谱

为验证上述机制，研究人员制备了由48 × 48个单元组成的样品，超表面有效区域为9.6 mm × 9.6 mm。写入同一线性相位梯度后，器件在0.223、0.254和0.334 THz下分别实现约57°、47°和34°的波束偏转，对应一种透射模式和两种反射模式。三个频率下的实测远场方向图与仿真结果总体吻合，说明三种共振模式不仅存在于单元响应中，而且能够在阵列尺度上转化为可预测的全空间波束控制。

图4. 三种工作模式下的波束偏转结果。（a，b）模式1；（c，d）模式2；（e，f）模式3。上排为仿真方向图，下排为实验和仿真结果的对比

在波束偏转的基础上，研究人员进一步将聚焦相位和线性梯度相位叠加，实现偏转聚焦。透射模式下的近场测量得到清晰的离轴焦点，焦点位置和强度分布与仿真结果吻合。两个反射模式的结果可同理进行验证。

图5. 偏转聚焦结果。（a）偏转相位和聚焦相位的叠加编码；（b）模式1的仿真近场强度；（c）模式1的实测近场强度；（d）三种模式的仿真强度曲线及模式1的实验结果

该工作的核心在于将VO₂相变从幅值开关拓展为共振模式重构手段，并借助双层架构把透射、偶对称反射和奇对称反射三种模式集成于同一器件。三种模式均保持完整相位覆盖和高于0.6的目标通道幅值，缓解了可重构超表面中模式数量、空间覆盖与效率难以兼顾的问题。该设计框架不依赖单一工作频率或特定波前功能，也可进一步拓展至其他元件、材料和频段，为多通道太赫兹通信、可重构成像和集成波束控制提供基础。

论文信息：

A Dual-Layer VO? Metasurface Platform Enabling Programmable Tri-Modal Full-Space Terahertz Wavefront Manipulation

Zhongtao Li, Yuchen Suo, Zhetong Lin, Nan Wang, Fengyuan Yang*

Advanced Optical Materials

DOI:10.1002/adom.71443

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.71443

期刊介绍

Advanced Optical Materials是一个国际性的、跨学科的期刊，针对材料科学的同行评审论文，重点关注光-物质相互作用的各个方面。致力于光子学、等离子体、超材料等领域的突破性发现和基础研究。