近日，我校太赫兹物理与器件实验室在读硕士研究生段守鑫参与完成的论文《Manipulation of longitudinally inhomogeneous polarization states empowered by all-silicon metasurfaces》在《Advanced Optical Materials》上发表。

偏振控制作为电磁波的固有特性，在光学系统中起着不可忽视的作用，对调整光与物质的相互作用至关重要，广泛应用于偏振成像、粒子捕获和量子通信。然而，级联偏振元件的引入导致了光学系统过于庞大，背离了长期追求的小型化和集成目标。近年来，通过级联庞大光学系统控制偏振的方法已经利用超表面小型化。然而，对于携带非均匀偏振分布的超表面，生成具有矢量特性的聚焦光束依然是相当具有挑战性的。

在这里，我们展示了一个在太赫兹波段工作的单层全硅超表面，以解决上述挑战，并且可以沿着传播方向传递具有非均匀偏振分布的铅笔状光束。引入代表初始相位差的偏振控制因子，可以根据扩展的焦深度几乎均匀地控制纵向偏振状态的演化趋势。通过操纵两个正交圆偏振通道内的拓扑电荷来实现相干叠加，可以在期望的平面上产生具有矢量特性的聚焦涡旋光束。

制备样品1的扫描电子显微镜（SEM）图像如图1a所示。在x偏振照明的情况下，所获得的焦平面电场的Ex和Ey分量满足设计要求，仿真结果与实验结果吻合良好。样品1在z = 7 mm平面上的测量结果如图1d所示，可以清楚地观察到纵向极化状态变化引起的焦点转移行为，即前分量上的电场分布逐渐消失，眼分量上的电场分布逐渐增强。所制作的样品2的扫描电镜图像如图1b所示，所使用的模拟和测量结果与实验部分中列出的相同，中心工作频率为0.9 THz。显然，x偏振光下的测量结果与模拟结果吻合很好，符合预期的设计要求。

图1. (a)样本1和(b)样本2的SEM图像，比例尺：150μm。样品1的焦平面分别在(c) z=5 mm和(d) z=7 mm处产生的电场分布。在样品2的焦平面上分别在(e) z=5 mm和(f) z=7 mm处产生的电场分布。

论文由南昌大学与天津大学合作完成，天津大学李辉和南昌大学段守鑫为共同第一作者，通讯作者为南昌大学沈云副教授、天津大学张雅婷副教授和姚建铨院士。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202202461