海南师范大学物理与电子工程学院曲轶研究员课题组，依托海南省激光技术与光电功能材料重点实验室、海南省半导体激光器国际联合研究中心、海南省院士团队创新中心，于2026年3月30日以“Controllable transmissive‑reflective phase distribution and circular dichroism switchable terahertz chiral metasurface”为题开展基于二氧化钒相变材料的太赫兹手性超表面研究，相关成果发表于SCI二区期刊《Infrared Physics & Technology》。海南师范大学物理与电子工程学院硕士生谢栋梁为论文第一作者，曲轶研究员为通讯作者，且海南师范大学为论文第一完成单位。
超表面是一种二维人工超材料，可在亚波长尺度对电磁波的相位、振幅、偏振进行灵活调控。手性超表面具备圆二色性、非对称传输等独特物理效应，在偏振转换、手性光探测、全息成像等领域拥有广阔应用前景。目前可重构超表面大多只能实现透射空间或者反射空间的单一半空间电磁调控，透射、反射空间无法同时实现独立的相位调控与圆二色特性，空间资源利用率受限，难以满足太赫兹加密通信、多通道成像等复杂场景的实际需求。针对该技术瓶颈，研究团队设计了由二氧化钒（VO2）开口环与硅柱单元构成的多层太赫兹手性超表面。
图1. 超表面功能切换示意图：(a)(b)利用相位分布实现聚焦涡旋波束透射 反射模式切换；(c)(d)利用圆二色性实现近场成像透射 反射模式切换；(e)(f)结合相位分布与圆二色特性实现全空间四通道偏振复用全息成像切换；(g)VO2层局部结构示意图。
该超表面利用VO2热致金属‑绝缘体相变特性实现功能可逆切换：升温时VO2转变为金属态，底层VO2开口环起主导作用，在0.8THz反射空间产生独立相位分布与圆二色响应；降温时VO2转变为绝缘态，顶层硅柱单元主导电磁响应，在2.2‑2.5THz透射空间实现独立相位调控与圆二色效应，达成透射、反射两个半空间功能完全解耦。团队结合 Drude 模型描述VO2介电响应，完成单元结构参数优化，仿真分析单元旋转角度、电磁波斜入射、相变临界温度对振幅、圆二色性的影响，验证器件具备良好的角度鲁棒性。基于几何PB相位调制原理，分别针对透射、反射工作频带构建相位梯度。
依托该全空间可切换相位特性，仿真实现了可切换的聚焦涡旋波束。反射模式下0.8THz聚焦涡旋波束焦距1000μm，轨道角动量模式纯度可达0.93；透射模式下2.25THz聚焦涡旋波束焦距600μm，模式纯度为0.76。
利用超表面全空间可开关的圆二色响应，通过原始手性单元与镜像手性单元分区排布，实现全空间可切换近场成像，升温反射空间输出“HN”图案，降温透射空间输出“NU”图案。
图2. 近场成像单元排布与仿真：(a)反射成像单元排布；(b)透射成像单元排布；(c)(d)反射空间原始、镜像单元圆二色响应；(e)(f)透射空间原始、镜像单元圆二色响应；(g)温度调控近场图案切换原理图。
进一步联合相位调控与圆二色手性响应，采用分区改进Gerchberg‑Saxton (G‑S)算法，实现全空间四通道偏振复用可切换全息成像。透射空间左旋、右旋圆偏振通道分别输出爱心、笑脸全息图像；反射空间左旋、右旋圆偏振通道分别输出五角星、WIFI符号全息图像。各通道图像串扰低，反射模式全息效率最高39.2%，透射模式全息效率最高36.2%，只有在特定空间、特定偏振条件下才可以正确解密图像，可用于物理层安全加密通信。
图3. 分区G S相位迭代算法流程与目标相位编码：(a)分区G S算法原理图；(b)透射模式两个目标图案及对应相位分布；(c)反射模式两个目标图案及对应相位分布。
该工作首次实现了透射、反射双空间同时具备独立相位分布与圆二色响应的太赫兹手性超表面，突破传统超表面仅能单空间调控的局限，一套器件集成聚焦涡旋波束、近场成像、四通道偏振复用全息多重功能，为可重构太赫兹波前调控、太赫兹加密通信器件提供了新的设计思路。
本研究得到国家自然科学基金（62464006、61988102、12274424、61864002）、海南省科技专项基金（ZDYF2025GXJS007）、海南省院士创新平台专项研究基金（YSPTZX202513）的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.infrared.2026.106556
