Broadband and switchable terahertz polarization converter based on graphene metasurfaces

太赫兹辐射 石墨烯 极化(电化学) 光电子学 材料科学 光学 宽带 等离子体子 物理 纳米技术 化学 物理化学
作者
Rui Zhang,Bin You,Shengchuan Wang,Kui Han,Xiaopeng Shen,Weihua Wang
出处
期刊:Optics Express [Optica Publishing Group]
卷期号:29 (16): 24804-24804 被引量:74
标识
DOI:10.1364/oe.432601
摘要

In this work, we propose broadband and switchable terahertz (THz) polarization converters based on either graphene patch metasurface (GPMS) or its complementary structure (graphene hole metasurface, GHMS). The patch and hole are simply cross-shaped, composed of two orthogonal arms, along which plasmonic resonances mediated by Fabry-Perot cavity play a key role in polarization conversion (PC). An incidence of linear polarization will be converted to its cross-polarization (LTL) or circular polarization (LTC), as the reflected wave in the direction of two arms owning the same amplitude and π phase difference (LTL), or ± π /2 phase difference (LTC). Such requirements can be met by optimizing the width and length of two arms, thickness of dielectric layer, and Fermi level E F of graphene. By using GPMS, LTL PC of polarization conversion ratio (PCR) over 90% is achieved in the frequency range of 2.92 THz to 6.26 THz, and by using GHMS, LTC PC of ellipticity χ ≤ −0.9 at the frequencies from 4.45 THz to 6.47 THz. By varying the Fermi level, the operating frequency can be actively tuned, and the functionality can be switched without structural modulation; for instance, GPMS supports LTL PC as E F = 0.6 eV and LTC PC of χ ≥ 0.9 as E F = 1.0 eV, in the frequency range of 2.69 THz to 4.19 THz. Moreover, GHMS can be optimized to sustain LTL PC and LTC PC of | χ | ≥ 0.9, in the frequency range of 4.96 THz to 6.52 THz, which indicates that the handedness of circular polarization can be further specified. The proposed polarization converters of broad bandwidth, active tunability, and switchable functionality will essentially make a significant progress in THz technology and device applications, and can be widely utilized in THz communications, sensing and spectroscopy.
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