太赫兹波的位置处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，其频率在0.1～10THz(THz=1012Hz)之间，是电磁波中唯一尚未完全开发的频段。由于太赫兹波的波长较长，传统的太赫兹功能器件都相对庞大，不利于系统的集成和小型化，因此迫切需要发展高效、新型、超薄的器件解决目前存在的这些问题。
超表面作为一种二维超薄的超材料结构，具备尺寸超薄(大约波长的几十分之一)，调制效率高、响应带宽大的特性和电磁波波前调控功能，使得其在太赫兹的振幅、相位和偏振操控和系统集成方面具有得天独厚的优势。发展基于超表面的超薄太赫兹波前调控器件可以有效的减小器件的厚度、体积，促进系统的小型化和集成化。近年来，几何超表面在全息成像、轨道角动量波束、超表面透镜、偏振转换器等方面取得了很多突出的研究成果。然而，几何超表面中的各项异性单元结构似乎“只能”实现对特定圆偏振态的电磁波实现波前调控，比如实现左旋圆偏振光的聚焦和右旋偏振光的散焦；导致目前大部分几何超表面透镜“只能”实现特定圆偏振态的聚焦，阻碍了其应用范围。
近日，在重点实验室主任庄松林院士的指导下，臧小飞教授等人提出了一套新的理论方案，借鉴全息成像方法设计了偏振不敏感的超表面透镜，实现了三维空间位置任意可控和自旋依赖的太赫兹聚焦效应—即多维度操控自旋霍尔效应(如图1所示)。利用所设计的自旋霍尔超表面透镜，进一步实现了自旋相关的高分辨成像(如图2所示)；该方面的研究有望在手性分子识别方面发挥重要的作用。相关研究为实现小型化、多功能集成化的太赫兹功能器件提供了研究基础。相关工作以题为“Geometric phase for multidimensional manipulation of photonics spin Hall effect and helicity-dependent imaging”发表于一区Nanophotonics期刊上(https://doi.org/10.1515/nanoph-2020-0115)。
图1. 太赫兹超表面透镜实现多维度操控光子自旋霍尔效应。
图2. 太赫兹超表面透镜实现自旋依赖的高分辨成像。