基于环形谐振器的新型手性超表面设计及其太赫兹应用中的双频圆极化波调控

这篇综述提出了一种新型手性超表面设计，通过嵌套矩形/圆形谐振环结构（meta-atom I/II）实现了太赫兹（THz）频段双功能集成：在2.53 THz高效吸收左旋圆极化波（LCP，吸收率96.3%）并实现右旋波（RCP）的-26°异常反射，在3.43 THz选择性吸收RCP（90.9%）同时完成LCP的+19°手性保持反射。创新性融合几何相位（Pancharatnam-Berry phase）调控与振幅控制，为THz能量收集、偏振转换器和雷达应用提供了新思路。

　　

2 超表面理论分析

该研究设计了一种金属-介质-金属"三明治"结构超表面单元，顶层和底层采用导电率4.56×10⁷ S/m的金，中间介质层为介电常数3.5的聚酰亚胺。单元由两个手性结构组成：顶部/底部非对称开口的矩形谐振环（meta-atom I）和不同角度开口的圆形谐振环（meta-atom II），通过旋转单元可实现基于几何相位的360°相位覆盖。Jones矩阵分析表明，当LCP/RCP波入射时，交叉极化反射系数r_LR/r_RL和同极化反射系数r_LL/r_RR共同决定吸收性能，理想吸收需使两者同时趋近于0。

3 单元圆极化吸收性能评估

仿真显示meta-atom I在2.59 THz对LCP波吸收率达99.3%，而meta-atom II在3.49 THz对RCP波吸收率为54.6%。嵌套形成的meta-molecule展现出双频手性响应：在2.53 THz处LCP吸收率96.3%（CD=0.85），3.43 THz处RCP吸收率90.9%（CD=-0.77）。表面电流分析揭示：LCP波在低频激发矩形环两侧的反平行电流形成磁偶极子，而RCP波在高频激活圆形环右侧电流实现能量局域。参数研究表明，通过调整尺寸参数k₁（8-10 μm）和开口角β（5°-17°）可独立调控双频工作点。

4 超表面阵列设计与性能

采用"00112233"编码策略构建16×16超表面阵列，四个旋转单元（φ=22.5°-157.5°）提供90°相位梯度。广义斯涅尔定律计算得出：2.53 THz时RCP波实现-26°异常反射（反射效率>90%），3.43 THz时LCP波发生+19°手性保持反射。远场模式验证了该设计同时具备双频手性吸收（LCP@2.53THz、RCP@3.43THz）和偏振转换功能。对比现有技术，该设计首次在THz频段实现双频强圆二色性（CD>0.8）与几何相位调控的集成。

5 结论

该手性超表面通过创新性的谐振环嵌套结构，突破了传统单频段功能的限制。其双频圆极化波调控能力在太赫兹传感、6G通信和生物分子检测等领域具有应用潜力，特别是对DNA双螺旋等手性分子的特异性识别。未来可通过引入二氧化钒（VO₂）等相变材料进一步实现动态可调功能。