近年来，太赫兹技术的应用也在不断扩展到波谱、成像、通信、雷达、天文、气象、石油、化工、军事、安全、国防、航空航天等各个领域，由于太赫兹波具有独特的瞬态性、高穿透性、宽带性、相干性和低能性等特性^[1-3]，且是宏观电子学与微观光子学研究的交叉领域，因此，太赫兹科学技术受到各国政府、科研机构、高等院校和高科技企业等部门的广泛关注，成为众多学者研究探讨的焦点。太赫兹是指频率在0.1～10 THz、波长为30 μm～3 mm的电磁波。从频率上看，太赫兹波在微波与红外线之间，其长波段与亚毫米波段相重合、短波段与红外光相重合；从能量上看，太赫兹波的能量为10⁻³ eV，能量在电子和光子之间。太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经非常成熟，而太赫兹基于其瞬态性、宽带性等多种优点，在通信、安检、生物医学、军事应用等方面有着广阔的发展前景^[3-4]。

超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料，自超材料发展而来^[5-7]。超材料的微结构尺度小于它作用的波长，因此得以对入射波束施加影响。在2011年，广义斯涅耳定律的提出极大推动了超表面的发展^[8]。相比于传统三维体结构的超材料，二维形式的超表面凭借其超薄、低损耗、易加工、单元设计灵活、满足亚波长等优势引起了国内外学者的广泛关注^[9-10]。超表面可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。而相位是电磁波的一个核心属性，等相位面决定了电磁波的传播方向，一副图像的相位则包含了其立体信息。通过超表面来控制电磁波的相位，可以实现光束偏转、超透镜、超全息、涡旋光产生、编码、隐身、幻像等功能^[11]。

2014年, 东南大学崔铁军院士在微波波段提出了数字超表面, 即编码超表面。通过数字编码方法替代等效媒质理论来表征超表面，不仅有效简化了超表面设计，而且建立了数字信息与超材料物理的联系^[12]。在微波频段，构建数字编码超表面的常用方法是在超表面单元中加载半导体器件，然而这种方法一般需要大量导线、外部电源和复杂控制电路提供直流控制信号来驱动超表面，且外部电源和控制器必须通过导线和超表面相互连接，会增加系统体积，也会带来直流和微波信号间的串扰^[13-14]。使用光调控可以有效避免上述缺点，因而成为当今学者研究的热点。本文选择钙钛矿MAPbI₃作为调控材料，是由于其结构特殊，在光照条件下其电导率比无光情况下高9个量级，已经成为高稳定光电器件最有前途的候选材料之一，可灵活调控太赫兹波，适合做太赫兹超材料的活性材料^[15-17]。本文通过使用CST软件利用钙钛矿来设计1 bit编码超表面，通过设计基本单元“0”与“1”，使其相位差为180°，使两单元散射特性相消，进行远场雷达散射截面仿真，通过仿真经典序列将入射的电磁波散射到各个方向形成漫反射，在外加光场激励下本结构可以对电磁波进行调控，为太赫兹主动控制编码超表面提供了一种新的设计思路。

1.   理论分析

编码超表面分为1、2、3 bit等，本文设计为1 bit，即两单元相位差约为180°。其原理与反射阵天线相似，通过合理排布，将入射的电磁波打散到不同方向上，形成杂乱无章的散射波。对于垂直入射的反射波，表面的远场散射表示为^[12]

式中：N为超级子单元中单元数量，由于${\text{sin}}\theta$取值范围为0～1，所以本文取N为4；k为任意整数； ${f_{\mathrm{e}}}(\theta ,\varphi )$代表单个单元的远场函数；D 是单元尺寸；$\theta ,\varphi$是任意方向的仰角和方向角；$\varphi (m,n)$表示位置$(m,n)$的单个单元的相位。

方向函数$d(\theta,\varphi)$表示为

对于1 bit编码而言，$\varphi (m,n)$只能为0或者180°，两单元的散射特性相消，${f_{\mathrm{e}}}(\theta ,\varphi )$的辐射特性基本为0。由式（1）、（2）可以看出，保证相位相差为180°就可以通过不同的编码阵元来控制编码超表面的远场散射特性^[18-22]。

为实现对电磁波的主动调控，本文选择钙钛矿MAPbI₃作为调控材料。在无光状态下，钙钛矿表现为绝缘态，绝缘态下介电常数${\varepsilon _{{\text{ii}}}}$=33，电导率${\sigma _{\text{i}}}$=0.08 S/m；在波长为405 nm、能量为729.45 mW/cm²的光入射下，钙钛矿表现为金属态，金属态下介电常数${\varepsilon _{{\text{im}}}}$=60,电导率${\sigma _{\text{m}}}$=1.4×10⁷ S/m^[23-24]。本文利用光照下钙钛矿良好的导电性设计了以铝为底层、PI为衬底（蓝色）、钙钛矿为顶层（红色）的四个不同工作频率的编码超表面，通过CST软件合理调整结构参数。编码超表面结构设计示意图如图1所示。

图  1  单元“0”与“1”的结构示意图

Figure  1.  Structure diagram of unit “0” and “1”

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不同频率下单元“0”和“1”的结构分别如表1和表2所示。利用电磁仿真软件CST Microwave Studio使用六面体网格结构划分，初步绘制网格后通过自适应网格多次迭代进行仿真，分别计算频率为0.1、1、2、6 THz的反射振幅与反射相位，结果如图2～图5所示。可以看到，在本文所设计的4个工作频率下，两结构反射振幅均超过0.66，且相位差约为180°，满足编码超表面设计条件，特别是图2、图3、图4中单元“0”与单元“1”反射振幅相差无几，因此把图1（a）结构视作单元“0”，把图1（b）结构视作单元“1”。

表  1  “0”结构参数

Table  1.  Structure parameters of unit ‘0’

frequency/THz	medium thickness/μm	aluminum thickness/μm	perovskite thickness/μm	structure length/μm	diagonal length of perovskite/μm
0.1	160	1.6	1.6	880	860
1	20	0.2	0.2	110	95
2	20	0.2	0.2	110	36
6	4	0.04	0.04	22	17

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表  2  “1”结构参数

Table  2.  Structure parameter of unit ‘1’

frequency/ THz	medium thickness/μm	aluminum thickness/μm	perovskite thickness/μm	structure length/μm	center diagonal length/μm	inside diameter of outer frame/μm	outer diameter of outer frame/μm
0.1	160	1.6	1.6	880	390	740	800
1	20	0.2	0.2	110	68	96	104
2	20	0.2	0.2	110	51	96	104
6	4	0.04	0.04	22	17	19	20

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图  2  0.1 THz反射振幅与反射相位

Figure  2.  0.1 THz reflection amplitude and reflection phase

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图  5  6 THz反射振幅与反射相位

Figure  5.  6 THz reflection amplitude and reflection phase

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图  3  1 THz反射振幅与反射相位

Figure  3.  1 THz reflection amplitude and reflection phase

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图  4  2 THz反射振幅与反射相位

Figure  4.  2 THz reflection amplitude and reflection phase

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2.   编码超表面远场仿真

为了实现编码超表面对于电磁波的主动调控, 利用电磁场CST Microwave Studio 软件进行了不同序列的编码超表面以及不同频率下的远场散射特性进行模拟仿真。如图6所示，其中红色材料为光照下钙钛矿，橙色材料为无光下钙钛矿。为了实现不同调控模式，将分别仿真不同频率下编码超表面经典序列0101/0101和0101/1010。值得一提的是，对于远场散射，为了增大物理尺寸以及降低相邻不同单元之间的影响，编码序列的每一个数字代表一个N×N的超级子单元，这里选择的是4×4^[25-27]。

图  6  0.1 THz的远场示意图与反射率比色图对比

Figure  6.  Far-field diagrams of 0.1 THz compared with reflectance colorimetric diagram

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对于平面波垂直入射编码超表面时，若是反射波束为明显的多波束，每一束能量都较低，即可有效缩减雷达散射截面，中心束越不明显雷达散射截面缩减效果越好。与之相反，若反射波束为单独垂直向上波束（即仰角$\theta =$0°）则可以视为对雷达散射截面缩减没有贡献。对于反射波为多波束的结构，其波束仰角计算式

式中：$\lambda$是自由空间波长；P表示编码序列周期长度。

利用公式（3）计算0.1 THz与1 THz时的波束仰角$\theta$，可得仰角$\theta$分别为58.40°与42.99°。图6与图7分别为0.1 THz与1 THz频率平面波垂直入射时的远场波束反射方向图。图6（b）、（d）与图7（b）、（d）为无光照状态下的钙钛矿编码超表面，其反射波位于只有中心的1束，无法有效实现雷达散射截面的缩减；而光照下，0101/0101结构的编码超表面波束为3束，如图6（a）与图7（a）所示，0101/1010结构的编码超表面波束为5束（图6（c）），均可有效实现雷达散射截面缩减。从图6和图7中可以看到，仿真结果中仰角$\theta$与利用公式（3）的计算结果相吻合，证明了理论计算的准确性。

图  7  1 THz的远场示意图与反射率比色图对比

Figure  7.  Far-field diagrams of 1 THz compared with reflectance colorimetric diagram

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图8与图9分别为2 THz与6 THz频率平面波垂直入射时的远场波束反射方向图，可以看到：图8（b）（d）与图9（b）（d）与为无光照状态下的钙钛矿编码超表面，其反射波只有中心的1束，无法有效实现雷达散射截面的缩减；而光照下超表面，0101/0101结构的编码超表面其波束为2束，如图8（a）与图9（a）所示；0101/1010结构的编码超表面波束如图8（c）与图9（c）所示，可以观察到图9（c）完全没有中心束，可以有效缩减雷达散射截面。

图  8  2 THz的远场示意图与反射率比色图对比

Figure  8.  Far-field diagrams of 2 THz compared with reflectance colorimetric diagram

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图  9  6 THz的远场示意图与反射率比色图对比

Figure  9.  Far-field diagrams of 6 THz compared with reflectance colorimetric diagram

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从图6～图9可以看到：当钙钛矿在有光状态下，即金属态下，垂直入射的平面波被棋盘序列0101/0101均匀地反射到了2个不同方向上，被棋盘序列0101/1010均匀反射到了4个不同方向上。这是因为编码电磁超表面,在对应频率处0和1的反射相位差接近180°，两单元存在相消散射特性，所以散射波分布在多个方向, 基本是在−90°～90°之间, 由能量守恒原理可知，各个方向的散射波分布的能量都比入射要小，因此本设计均可以有效缩减雷达散射截面；当钙钛矿处于无光状态下，即绝缘态下，两个结构垂直入射的平面波产生镜面反射，对RCS缩减几乎毫无作用。因此，通过调整光照，可以改变本编码超表面的工作状态，方便灵活调控太赫兹。

3.   结　论

目前新型钙钛矿材料由于其优异的光电特性在通信等领域有着极高的科研价值，已经成为高稳定光电器件最有前途的候选材料之一。基于钙钛矿高效低成本等优点，将其应用于太赫兹超材料的活性材料，通过外部激励改变活性材料的属性，可灵活调控太赫兹波。本文利用外加光场调控钙钛矿，在不同频率设计了多种超表面结构，分析在光场作用前（绝缘态）和在光场作用后（金属态）两种状态对单元结构太赫兹宽波段下幅值和相位的影响，实现对波束的调控。通过CST在每个频率仿真了2种阵列排布方式，使得波束可以沿2个方向或4个方向反射，实现远场波束的变换。

致　谢　感谢成都信息工程大学李杰老师提供的帮助与指导；感谢河北大学研究生胡家敏、贾一鸣提供的帮助。