超器件的出現為電磁波的操控提供了優異的能力，尤其在天然材料稀缺的太赫茲波段。然而，大多數超器件在制造后功能固定且單一，難以適應不同的應用場景。雖然以往提出的有源調諧方案擴展了超器件的功能，但這些方案依賴于外部可控激勵源，增加了系統的限制和復雜性。更為重要的是，傳統的太赫茲超器件制備方法大多基于半導體技術，通常耗時長且成本高，尤其在低頻太赫茲波段，面臨著更大的挑戰。
近年來，面投影微立體光刻（PμSL）作為一種新興技術，憑借其定制化、快速制造、低成本大成型面積和高加工精度的優勢，成為制造大尺寸、高精度太赫茲超器件的理想選擇。值得注意的是，光敏樹脂在太赫茲波段表現出優異的光學性能，然而，其低折射率導致制造的超器件通常只能實現單一功能，難以滿足多功能調諧的需求。因此，如何通過新型制造方案提升超器件的適應性，成為高效且低成本制造太赫茲多功能超器件的關鍵問題。
為此，南開大學王曉雷教授研究團隊提出了一種可重構多功能超器件平臺。該平臺通過集成金屬波導陣列（MWA）和三維打印結構，實現了獨立且同時操控兩個正交偏振太赫茲波的偏振、相位和振幅。此外，通過調整金屬波導陣列中打印結構的插入長度，能夠靈活操控不同傳輸通道的光束振幅。相關成果以“Plug-and-play terahertz multifunctional metadevices based on metal waveguide arrays and 3D printed structures"為題，發表在期刊《Virtual and Physical Prototyping》上。南開大學現代光學研究所的博士生胡浩為第一作者，王曉雷教授為通訊作者。
具體來說，研究團隊基于金屬孔的異常透射、波導傳輸效應以及等效介質理論，將金屬孔和介質柱的組合作為晶胞單元進行超器件設計。在這種設計中，金屬孔的幾何特征與介質柱的參數共同決定了諧振條件。通過調節這兩者的參數，可以精確控制不同偏振通道的透射率和相位延遲。本研究中，在固定金屬孔陣列尺寸的前提下，設計了具有偏振選擇、光束偏轉和雙通道成像功能的超器件。通過更換三維打印結構，超器件可以在不同功能之間進行重構（如圖1所示）。
為了驗證這一設計，采用線切割電火花加工技術制造了金屬鋁波導陣列，并使用摩方精密microArch® S350（精度：25 μm）3D打印設備制備了由 16 × 16 個單元組成，周期分別為 2.7 毫米（0.9λ），高度為 5 毫米（≈1.67λ）的三維打印結構（耐高溫光敏樹脂）。圖2展示了面投影微立體光刻的打印原理示意圖以及三維打印結構和集成超器件的實物圖。通過搭建的連續太赫茲波光學測量系統，研究人員對集成超器件進行了表征，測量結果與模擬結果一致，實現了不同功能之間的重構，從而驗證了設計方法的有效性（如圖3-5所示）。
此外，盡管該超器件是針對0.1 THz的單頻太赫茲源所設計，但通過縮放單元結構，能夠使其適用于其他太赫茲波段。同時，金屬波導陣列也可以通過三維打印技術進行制造。
除了通過更換打印結構實現功能重構之外，該超器件特別的插入式組合設計還提供了額外的調控自由度。如圖6所示，不同偏振通道的透射率隨著插拔長度的變化表現出不同的趨勢（以打印結構A為例）。通過調節插拔長度來調制透射光譜，有望應用于動態波前調制，這對于光學傳感器和自適應光學系統具有重要意義。
綜上所述，本研究提出了一種新的模塊化設計方法，為太赫茲可重構多功能超器件的開發提供了重要的理論與技術支持。這種設計方法不僅有助于多功能集成，還為高效、低成本制造太赫茲超器件提供了新的思路，尤其在雷達、無線通信和成像等領域的大規模應用中具有廣闊的前景。
本研究得到了國家自然科學基金的支持。
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