太赫兹超表面的理论基础与应用

本书在介绍太赫兹超表面工作原理、设计加工和表征方法的基础上，重点介绍非局域衍射调控、角度色散调控等太赫兹超表面的新机理和新方法，以及由此研制的波束扫描器件、大数值孔径超透镜、多功能集成器件、手性传感器等具有新颖波束操控能力的太赫兹超表面。

常胜江，男，博士，南开大学电子信息与光学工程学院教授、博士生导师。1996年毕业于南开大学现代光学研究所，获得博士学位，2018-2000年间在香港城市大学电子工程系从事博士后研究工作，2001年破格晋升为教授。主要从事太赫兹微结构器件及其应用、太赫兹光谱以及传感技术的研究工作，发表学术论文200余篇。目前主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划项目等，获得2022年度天津市自然科学二等奖（排名第一）

第1 章 超材料与超表面概述
1.1　超材料的发展及应用
1.2　超表面简介
1.2.1　从超材料到超表面
1.2.2　超表面的研究现状
1.3　太赫兹技术及太赫兹超表面
1.3.1　太赫兹技术概述
1.3.2　太赫兹超表面器件的研究进展
本章参考文献
第2 章 超表面光场调控基本理论
2.1　基于等效媒质理论的传输相位调控
2.1.1　周期结构的模式展开分析法
2.1.2　零阶和高阶等效媒质理论

2.1.3　有限厚度等效媒质的薄膜理论
2.1.4　等效媒质的传输相位
2.2　基于电路模型的谐振相位调控 
2.2.1　介质平板的传输线电路模型
2.2.2　单层及多层金属超表面的等效电路模型
2.3　基于Mie 散射的谐振相位调控
2.4　几何相位调控
2.5　偏振调控理论
2.6　基于广义斯涅耳定律的波前调控理论
2.7　波前的远场近场变换理论
2.7.1　菲涅耳衍射理论
2.7.2　格林函数法
本章参考文献
第3 章 超表面的设计及优化方法 
3.1　参数遍历方法
3.2　基于优化算法的逆向结构设计
3.2.1　基于梯度的优化算法
3.2.2　无梯度优化算法
3.3　基于深度学习的结构设计
3.3.1　深度学习神经网络概述
3.3.2　神经网络的基本结构
3.3.3　全连接神经网络
3.3.4　卷积神经网络
3.3.5　深度学习辅助超表面优化设计实例
本章参考文献
第4 章 太赫兹超表面的加工方法与实验表征系统
4.1　太赫兹超表面的常用加工方法
4.1.1　光刻与刻蚀
4.1.2　飞秒激光微纳加工
4.1.3　3D 打印
4.2　太赫兹时域光谱表征系统
4.3　太赫兹超表面的偏振光场表征系统
4.4　太赫兹成像系统
4.4.1　连续波太赫兹成像系统
4.4.2　脉冲太赫兹非扫描式成像系统
4.4.3　太赫兹单像素成像系统
本章参考文献 
第5 章 太赫兹波前调控器件 ·······························································91
5.1　太赫兹定向波束发射器件 ························································91
5.1.1　超光栅的模式分析与优化设计·········································91
5.1.2　定向发射器的实验测试与讨论 ········································96
5.2　太赫兹波束扫描器件 ······························································98
5.2.1　波束扫描器件结构························································98
5.2.2　一维波束扫描的测试与分析·········································· 100
5.2.3　三维空间波束扫描的实验测试······································· 102
5.2.4　角度自适应的动态回射器············································· 104
5.3　太赫兹超透镜 ····································································· 106
5.3.1　非局域衍射波前调控理论············································· 106
5.3.2　太赫兹大数值孔径平面柱透镜的理论与实验研究 ·············· 108
5.3.3　太赫兹大数值孔径三维聚焦超透镜的设计与成像研究 ········ 111
5.4　太赫兹全息成像 ································································· 112
5.4.1　用于全息成像的太赫兹电介质超表面的理论设计 ·············· 112
5.4.2　太赫兹电介质全息超表面的加工及实验验证 ···················· 115
本章参考文献 ··········································································· 116
第6 章 太赫兹偏振调控器件 ····························································· 118
6.1　3D 打印的太赫兹宽带偏振控制器件 ········································ 118
6.1.1　基于超光栅的太赫兹宽带半波片···································· 118
6.1.2　宽带太赫兹矢量波束发生器·········································· 124
6.2　基于超薄金属微结构的太赫兹偏振控制器 ································· 128
6.2.1　超薄金属偏振控制超表面单元设计································· 128
6.2.2　矢量光和矢量涡旋光超表面的设计与理论分析 ················· 132
6.2.3　矢量光超表面的制备与实验测试···································· 136
6.3　基于石墨烯的太赫兹动态偏振控制器件 ···································· 138
6.3.1　基于石墨烯—介质复合超表面的双功能太赫兹偏振控制器 ·· 138
6.3.2　 基于石墨烯—介质复合超表面的宽带可调谐太赫兹偏振控
制器 ········································································ 144
本章参考文献 ··········································································· 148
第7 章 太赫兹多功能集成超表面 ······················································· 150
7.1　频率复用的独立偏振与波前调控器件 ······································· 150
7.1.1　双波段双功能波片的理论设计与分析······························ 150
7.1.2　双波段双功能波片的加工与实验测试······························ 157
7.1.3　双波段太赫兹超透镜的设计与实验论证 ·························· 158
7.2　角度复用的偏振与波前调控器件
7.2.1　一维介质光栅的角度色散机理分析
7.2.2　角度复用的波前调控器件
7.2.3　角度复用的多功能偏振调控器件
本章参考文献
第8 章 太赫兹超表面放大器件
8.1　石墨烯在太赫兹波段的光泵浦特性
8.2　基于石墨烯—介质复合超表面的反射式太赫兹放大器
8.2.1　单层石墨烯的增益特性分析
8.2.2　高Q 值反射式介质超表面的结构及响应
8.2.3　石墨烯—介质反射超表面的反射式光放大结果
8.2.4　太赫兹波放大的物理机制
8.3　基于石墨烯—介质超表面的透射式太赫兹放大器 
8.3.1　多层石墨烯与高Q 值介质谐振腔的独立分析
8.3.2　超表面的太赫兹波放大性能分析
本章参考文献 
第9 章 太赫兹超表面生物传感
9.1　活性细胞增殖的太赫兹圆二色性传感研究
9.1.1　超光栅传感器的性能研究
9.1.2　HepG2 肝癌细胞增殖抑制传感 
9.1.3　三种肝癌细胞的圆二色性谱差异
9.2　氨基酸水溶液的手性传感 
9.2.1　螺旋形手性超表面传感器的性能研究
9.2.2　脯氨酸、丙氨酸和酪氨酸溶液的浓度传感 
9.2.3　氨基酸手性异构体溶液的手性鉴别、
本章参考文献 

太赫兹波通常指频率为0.1 ～ 10 THz（1 THz = 1012 Hz）的电磁波，其处于
传统电子学与光子学、微波与光波的过渡区域，太赫兹波的宽带、低能量、高穿
透性及分子指纹谱等独特性质使其在通信、雷达、安全、生物、环境、天文等多
个重要领域展现出巨大的应用前景。作为世界各国争相布局的关键技术之一，太
赫兹技术已成为21 世纪的新兴前沿领域。
随着太赫兹波产生和探测技术的快速发展，太赫兹光场调控器件也成为构建
各类太赫兹系统的重要环节。对太赫兹波振幅、相位、偏振、波前的调控是实现
信息传输的基础，是有效驾驭太赫兹波的关键。传统的曲面折射型和衍射型功能
器件结构笨重，且波束操控能力有限，而超材料和超表面的发展突破了传统器件
在材料与结构上的束缚，依靠人工设计的微纳结构产生从基本材料无法获取的光
学响应，给波束操控带来了前所未有的自由度。尽管太赫兹波是最后一段被开发
利用的电磁波，但太赫兹超表面的发展相比其他波段的超表面并没有滞后。超表
面蓬勃发展的二十多年为太赫兹光场调控技术的进步提供了良好的契机，许多器
件实现了从无到有和从有到优的跨越，对促进太赫兹技术的基础研究和产业发展
都具有重要意义。
由于太赫兹波独特的频谱位置，太赫兹超表面既可以借鉴相邻波段的调控技
术，又因材料响应和加工方式等差异而具有特殊性。因此，本书在兼顾通用性和
特殊性的基础上，系统介绍超表面波束操控的基本原理、常用的太赫兹超表面功
能器件和典型的系统应用。本书对从事太赫兹功能器件研究的专业技术人员，以
及高等院校、科研院所相关方向的研究生和高年级本科生具有参考价值。本书相
比现有超表面相关书籍，提供更多的太赫兹频段的独特视角；而相比太赫兹技术
书籍，提供光场调控理论基础和新的应用方向。
本书共9 章。第1 章概述超材料与超表面的概念、发展及太赫兹超表面的
发展动态；第2 章系统介绍超表面光场调控的基本理论，内容涉及等效媒质理
论、传输线、谐振电路模型，以及相位、偏振和波前调控理论，明确波束操控机
理；第3 章介绍超表面的优化设计数学方法，完成从物理响应到结构参数的映射；
第4 章介绍太赫兹超表面常用的加工手段和实验表征系统；第5 ～ 9 章分别从波
前调控、偏振调控、多功能集成、放大器件和传感检测应用的角度介绍各类太赫
兹超表面器件的设计方法、理论分析和实验论证。
本书的部分研究工作得到了国家自然科学基金重点项目（61831012）、
面上项目（62175118)、青年项目（61805123） 及国家重点研发计划项目
（2017YFA0701002）的大力支持。作者所在课题组的博士研究生董希谱、张子
杨、关胜男和硕士研究生袁以吴、杨洋、徐海峰、王宇、李帆等也参与了本书的
校对工作，在此表示衷心感谢。