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研究人员创建了用于线性极化多通道传输以及球面波和涡旋波叠加状态的超表面器件。（a）45°偏振波入射下球面波和涡旋波的叠加状态。（b）在45°偏振波入射下可携带两个球面波和两个涡流的四通道传输。（c）球面波和涡旋分别在x和y偏振波入射下的叠加态。（d）球面波和涡旋波的双通道传输可在x（或y）偏振波入射下携带。
图片来源：Fuyu Li，电子科技大学

    研究人员设计并演示了两个全硅太赫兹超表面器件，可用于创建四个光通道，以同时实现不同的光学功能。此功能可用于各种应用，例如通信、太赫兹成像、粒子操作或编码量子信息。

    例如，新技术可以帮助简化向更快的6G无线网络的过渡，这可能基于高频波，例如太赫兹区域的高频波。

    “6G网络可能需要更多的基站来实现全信号覆盖，”中国电子科技大学的研究团队负责人Fuyu Li说。“我们的设备产生的多个信道可用于同时实现多个频率的波束偏转，这将减少对更多基站的需求，并加速6G通信的到来。”

    在《光子学研究》杂志上，研究人员描述了这些新设备，它们代表了一种叠加各种形式的太赫兹波的全新方法，包括聚焦波、球形波和涡旋波。当波叠加时，它们基本上被加在一起产生一种新型的波，它是原始成分的总和。

    “我们将具有特殊电磁特性的人造超表面与不同形式的太赫兹波的叠加态相结合，”Li说，“这种独特的组合提供了许多自由度，可用于创建更通用的太赫兹器件。例如，这种设备可以提高粒子操纵的精度或拓宽光通信的渠道。”

    多功能设备

    在这项新工作中，研究人员使用500μm厚的超表面来创建两个太赫兹器件。超表面是用微小纳米结构设计的材料，可用于操纵光。

    他们制造的第一个装置使用太赫兹波的偏振状态作为开关来选择涡旋波和球面波叠加状态所携带的信息。球形波向所有可能的方向向外传播，而涡旋波具有特殊的螺旋形状。这种扭曲的形状产生了旋转运动，赋予了轨道角动量（OAM），可用于携带信息或移动粒子。

    该器件可以使用入射电磁波的偏振状态作为干涉条纹数量的选择开关，可用于干涉测量、多普勒分析和其他应用。在这种情况下，当X偏振波垂直撞击超表面时，它将产生具有两个顺时针螺旋条纹的干涉图案。

    研究人员还设计了第二种设备，可以使用太赫兹波的偏振状态作为开关来选择多通道传输的通道数。例如，当两个具有x偏振的波垂直撞击超表面时，则透射波有两个通道：左和右。这两个通道分别携带涡旋波和球形波，没有任何干扰。

    支持新的太赫兹应用

    “这项工作可以帮助OAM成为光子和物体之间信息传输的载体，”Li说，“它还可以实现新的超薄光子器件，促进太赫兹信息加密和高频通信的发展。”

    在理论上证明了涡旋波和球面波的叠加态和多通道传输后，他们还进行了模拟和实验。在实验测试中，研究人员测量了靠近焦平面的涡旋波和球面波之间的叠加状态，表明该设备运行良好。他们还表明，产生的螺旋干涉条纹的旋转方向和强度与理论和仿真设计一致。

    研究人员现在正在努力将更多功能集成到超表面中。他们还希望提高测试系统中的信噪比，以便能够观察到超表面产生的更小的物理现象。