基于C4对称性手性双层超表面的无反射线性偏振旋转器设计与角鲁棒性研究

《ACS Omega》：Reflectionless Linear Polarization Rotators with Angular Robustness

本文提出了一种基于四重旋转对称性（C4）的双层手性太赫兹超表面，通过结构对称性与洛伦兹互易性原理实现了偏振无关、厚度不变且近零反射的线性偏振旋转功能。该设计利用层间扭转角（α）调控偏振旋转角度（φ），在固定谐振频率（~0.95 THz）下，通过破坏性干涉消除共偏振反射，并依托C4对称性抑制交叉偏振反射。仿真表明，该结构在入射角达20°时仍保持高转换效率（~85%）与低椭圆度（<0.6°），为晶圆级可扩展偏振光学器件提供了新思路。

　　

引言：偏振操控的光学挑战与超表面解决方案

偏振作为光的基本属性，在成像、光谱学、通信和量子技术中具有关键作用。传统偏振旋转依赖天然光学活性材料（如石英），但其手性响应弱，尤其在太赫兹波段需极大厚度才能实现有效旋转。超表面作为亚波长结构阵列，可通过人工设计突破天然材料限制，但现有技术多在反射模式或多层结构中实现功能，难以同时满足低反射、厚度不变、偏振无关与平面工艺兼容的需求。

概念与理论：对称性驱动的无反射机制

本研究的核心在于利用C₄旋转对称性与双层手性结构实现偏振无关的反射抑制。如

所示，当两层开口谐振环（SRR）通过扭转角α堆叠时，C₄对称性迫使共偏振反射系数满足R₁₁^xx=R₁₁^yy，且交叉偏振反射项因对称性要求而反对称（如R₁₁^xy=?R₁₁^yx）。结合洛伦兹互易性，散射矩阵简化为仅含共偏振反射项的形式，使反射抑制转化为单一参数优化问题。通过调节层间间距（d=38 μm），使前层直接反射与经后层反射的多重干涉光路发生相消干涉，最终在目标频率（0.95 THz）实现R_tot≈0。

设计验证：90°偏振旋转器的性能

针对α=90°的器件，仿真显示其交叉偏振传输（T_cross）在0.95 THz处达85%，共偏振传输（T_co）与反射均低于5%。如

所示，该性能在入射偏振角从?80°至+80°变化时保持稳定，证实了偏振无关性。进一步通过偏振椭圆分析（图3）表明，输出偏振的旋转角φ稳定在90°，椭圆度χ<0.6°，证明线性偏振转换的高纯度。

扩展应用：多角度旋转器的通用性

研究还验证了α=45°与60°的旋转器。如

所示，不同α下器件均保持低反射（<2.5%）与高线性度（χ<1°），且谐振频率偏移小于0.03 THz，说明旋转角可通过α精确调控，无需改变厚度。此外，器件在斜入射角度达20°时仍维持>78%的转换效率（图7），展现了良好的角鲁棒性。

制造容差与损耗分析

工艺上，该设计兼容平面光刻工艺：铜SRR（1 μm厚）制备于聚酰亚胺薄膜（38 μm）上，通过旋涂、光刻、金属剥离实现图案化。容差分析表明，扭转角误差±5°仅引起旋转角线性偏移（Δφ～Δα），而聚酰亚胺厚度变化±3 μm主要导致谐振频率偏移（0.96–0.98 THz），不影响反射抑制功能。铜电导率降至1.5×10⁷S/m时，效率仍>70%，证实机制对欧姆损耗不敏感。

结论与展望

该工作通过对称性工程与干涉相消策略，实现了厚度不变、偏振无关的无反射偏振旋转器，为紧凑型偏振光学集成提供了可行路径。未来研究方向包括拓展带宽、控制椭圆偏振态，以及开发低损耗材料体系，进一步推动其在偏振成像、安全通信和并行光子处理中的应用。