超材料吸收体作为一种人工设计的亚波长结构，可以超越天然材料的电磁参数限制，从而在操控电磁波方面提供了极大的灵活性[1]、[2]、[3]。通过精心设计共振元素的几何形状和排列，超材料吸收体可以利用阻抗匹配、共振模式耦合和电磁能量耗散等机制，在特定频率范围内实现近乎完美的吸收[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。在过去的二十年里，研究人员开发了多种超材料吸收体，覆盖了从微波到光频的整个电磁频谱，展示了其在无线通信[10]、[11]、雷达截面减小[12]、能量收集[13]、[14]、热发射器[15]、[16]以及传感[17]、[18]、[19]等领域的广泛应用潜力。
然而，传统的超材料吸收体通常设计为单一工作模式，这限制了它们在复杂环境中的多功能适应性[20]。为应对这一挑战，研究人员探索了各种动态调谐机制[21]。其中，基于相变材料的主动调谐方法得到了广泛研究。例如，Luo等人报道了一种基于VO₂的可切换超材料吸收体，通过温度控制的相变实现了宽带和窄带吸收之间的可逆切换[22]，而Wang等人进一步通过结合热刺激和电刺激将VO₂与石墨烯集成，实现了协同调制[23]。最近，Wang等人实验实现了一种基于GST的可重构太赫兹超材料，通过相变切换和偏振控制结合，实现了高达700%的相对强度调制能力[24]。尽管这些主动调谐方案成功实现了可切换功能，但它们通常需要复杂的外部控制系统或持续的能量输入，这不可避免地增加了系统的复杂性和运行成本。为了克服这些限制，研究人员开始探索利用结构内在几何特性的被动调谐机制。其中一种策略是利用结构不对称性通过改变入射光的方向来实现模式切换。例如，Jiang等人报道了一种双向超材料完美吸收体，通过改变照明方向实现了功能分离，其中一侧产生吸收效率超过98%的窄带吸收峰，另一侧实现了覆盖424-3447纳米范围的宽带吸收，平均吸收率为96.02%[25]。
然而，方向切换通常需要双向光学访问，这在具有不透明金属基底的MIM吸收体中难以实现[26]。相比之下，偏振切换避免了这一限制，只需使用简单的光学元件（如偏振器或波片）即可从单一照明方向选择功能模式。在各向异性单元格中，吸收响应可以强烈依赖于入射波的偏振状态[27]。例如，Chang等人报道了一种H形谐振器结构，在2.824微米和7.622微米波长下对TM偏振光实现了超过99%的吸收率，而在相同波长下对TE偏振光的吸收率低于1%[28]。Hou等人展示了一种复合光栅结构，在TM偏振下实现了6-14微米范围内的宽带吸收，而在TE偏振下切换到8.76微米处的单一窄带峰[29]。Li等人设计了一种二维钛光栅，在X偏振下实现了300至2400纳米范围内的宽带吸收，在Y偏振下实现了351纳米处的窄带吸收[30]。这种可切换偏振的吸收体对于光检测和偏振敏感成像非常吸引人。此外，宽带和窄带模式之间的偏振控制切换对于光热辅助传感也非常有吸引力，包括热调节生物传感[31]、分子检测[32]和环境监测[33]，其中宽带吸收模式实现了高效的光热转换以进行局部温度调节，而窄带共振模式提供了折射率传感能力。通过控制入射光的偏振状态，可以选择性地激活这两种模式。然而，大多数报道的可切换偏振吸收体仅限于单带或双宽带操作，而宽带到窄带的设计往往受到带宽限制或传感性能不佳的问题。这种困难源于宽带吸收通常依赖于损耗较大且光谱重叠的共振，而窄带吸收则更倾向于选择性的高Q值响应。因此，在紧凑结构中同时实现这两种功能仍然具有挑战性。
受此挑战的启发，我们提出了一种通过改变入射光的偏振状态在宽带和窄带吸收之间切换的超材料完美吸收体。该结构在一个单元格中集成了两个功能不同的共振模块。上部由Ti和TiN组成的梯形光栅构成，而下部由嵌入在SiO₂隔离层中的对称银光栅对组成。在TE偏振下，该设备在500-3423纳米波长范围内表现出超宽带吸收，平均吸收率为97.15%。切换到TM偏振后，它转变为964.29纳米处的窄带完美吸收，吸收率为99.85%，折射率灵敏度为330.58纳米·RIU⁻¹。使用有限差分时域（FDTD）方法系统地分析了其背后的物理机制，揭示了多种共振模式之间的协同作用。通过全面的参数优化，彻底研究了两种工作模式之间的性能权衡，并获得了优化设计。此外，还评估了宽带模式在光热吸收和窄带模式在折射率传感方面的潜力。通过控制入射光的偏振状态，可以在单一物理平台上选择性地激活这两种功能，为偏振切换的多功能光子设备提供了紧凑的实现途径。与现有的偏振敏感吸收体相比，所提出的设计在吸收带宽、效率和功能集成方面具有优势，表明其在光热吸收、光检测、偏振敏感成像和光热辅助传感方面具有潜在应用。
