半波片(Half-wave plate)是必不可少的线性光学器件，广泛应用于光学系统。传统的半波片由双折射晶体构成，它将入射光的偏振方向旋转2，其中表示入射光偏振方向与波片快轴之间的角度。最近半波片可以通过具有特定单元结构的超材料来实现。与传统的半波片相比，超材料半波片具有超薄、紧凑的优点，并且在太赫兹波段具有良好的性能。普通的全介质太赫兹超材料半波片只能工作在单频或窄带宽，这也限制了它的应用。因此，提高太赫兹半波片的带宽将极大地增加太赫兹技术的普遍应用，例如通信和光谱学。目前基于宽带太赫兹超材料的半波片的研究，主要是由一些复杂的和特殊设计的单元结构组成。由于工作频带高度依赖于结构的几何参数，除非重新设计，否则这些装置很难改变工作频率。
近日，我校光电工程学院韩家广教授课题组针对太赫兹超表面全介质宽带半波片展开了理论研究，首次提出了利用复合脉冲控制技术设计宽带太赫兹半波片。相关成果在中科院一区期刊《JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY》（影响因子4.142）上发表了题为“Broadband terahertz half-wave plate with multi-layered metamaterials designed via quantum engineering”的论文。该论文由黄巍老师（第一作者）、张文涛教授（通信作者）、银珊老师（通信作者）指导研究生郝晓源（第二作者）完成。
图1结构的示意图。(a)我们设计的多层宽带半波片中可以单独旋转的全介质半波片的单元结构。(b)单层全介质半波片的单元结构的横截面。(c)单层结构的快慢轴(红色虚线)和对应的旋转角。(d)单层全介质半波片底部减反射部分的横截面。
基于复合脉冲控制理论，我们通过单层全介质半波片的透射率以及偏振转换率，进一步计算得到多层的半波片的偏振转换率。
图2宽带太赫兹半波片的偏振转换率与频率的理论计算基于多层，其中绿、蓝、红和黑线对应于单层、三层、五层和七层超材料半波片。
我们通过全波模拟仿真得到了多层半波片的同极化透射率和交叉极化透射率，同时根据偏振转换率的计算公式得到多层超材料半波片的偏振转换率。
图3全波仿真所模拟的(a)单层、(b)三层、(c)五层和(d)七层超材料THz半波片‘y'极化输入和‘x’极化(和‘y’极化)的透射率tyz(和tyy)。
图4单层、三层、五层和七层超材料太赫兹半波片的偏振转换率仿真结果。
结果表明，我们所设计的多层半波片与单层超材料相比，我们的设计将带宽(PCR超过90%)114%(三层)提高到201%(七层)。而且，我们可以通过对旋转角的解析计算，通过复合脉冲控制来增加超材料太赫兹半波片的带宽。我们的研究为开发太赫兹宽带半波片的设计提供了一条新的途径。
该研究工作得到了国家重点研究开发计划，国家科技重大专项，国家自然科学基金，广西科技计划，广西海外百人计划和广西特聘专家项目的资助。
文章链接：https://opg.optica.org/jlt/abstract.cfm?uri=jlt-39-24-7925