南科大丛龙庆团队在《Science Advances》报道突破性进展：实现92%的最高记录太赫兹光束调控效率及低阈值波前调制

研究团队成功构建了一种兼具超高效率、低能耗、强频谱和空间选择的薄膜超表面，实现了太赫兹波束的高精度定向偏折。实验显示，该器件的绝对偏折效率高达92%，线宽窄至4 GHz，空间发散角仅2.8°，品质因数高达114，并在极低光泵阈值下实现了94%的调制深度，整体性能达到当前同类技术的国际最高水平。

更为重要的是，该设计突破了传统单点Kerker效应难以在完整2π相位调制范围内保持高效率的根本瓶颈（图1A-1C），实现了在全相位覆盖区间内所有结构单元接近100%的光场透射效率（图1D-1F）。通过对q-BIC色散机制的调控，并与拓展的宽带Kerker效应深度耦合，团队构建了一个同时具备高效率、高空间和频率选择性及低阈值调制的新型薄膜超表面光场调控架构。

这一创新体系不仅显著提升了超表面的性能上限，也奠定了其作为一种可扩展、低功耗的下一代光子平台的重要潜力，为未来面向高速无线通信、激光雷达、片上光子集成系统等关键应用的核心器件研发提供了全新的技术路径。

图1.单点与宽带模式简并诱导的Kerker效应。

传统设计中，单点电偶与磁偶简并相对容易实现，但模式间不可避免的耦合始终阻碍着宽带简并的实现。本研究将设计范式从传统的参数空间扩展至动量空间，利用整个动量空间进行联合优化，有效解决以往难以突破的宽带模简并难题。

在这一新框架下，我们首次在动量空间实现了双模的宽带简并，即宽带Kerker效应。通过将矩形晶格的Y点模式折叠至Γ点，我们获得了兼具高稳定性与高Q因子的带折叠BIC模式（图2A–2D），使其在宽波矢范围内保持稳健的简并特性（图2B、2F）。随后，通过引入微弱结构不对称，我们精确调控远场辐射泄漏，使两条模式在0.542 THz实现频率与Q因子的同步交叉（图2E、2F）。最终构建的硅基薄膜超表面在实验中表现出超过96%的高透过率、完整的2π相位覆盖，以及高达33倍的局域场增强，为宽带Kerker效应的高效率、高品质因数的实现奠定物理基础（图2G、2H）。

图2.通过能带折叠实现多点简并下的Kerker效应。

通过调控结构参数，使动量空间中双q-BIC模式的宽带简并成功转化为参数空间中的Kerker效应，并在宽参数范围内保持稳定共振特性。在y轴周期从530到610 μm的跨度内，两模式的Q因子仍高度一致，确保了卓越的结构鲁棒性。基于此，我们构建了相位差为π/4的八个典型单元，实现了平均高达99.3%的超高透射效率（图3A-3F）。进一步的数值分析揭示：模式频率偏差与损耗差异对器件性能至关重要，而多点简并显著增强了系统对频差与Q因子变化的耐受性，使超表面在广泛设计空间内依然能够保持高效率与完整的相位梯度覆盖（图3G-3H）。这一突破为高性能、宽容差的非局域超表面设计提供了全新途径。

图3.实空间双q-BIC简并下的Kerker效应及理想效率相位梯度单元的实现。

依托超高透射效率的单元设计，我们制备了仅需调控单一参数，即y轴周期的相位梯度超表面，并在实验中实现了卓越的太赫兹波束偏折性能（图4A）。角分辨时域谱测量显示，器件在0.4–0.6 THz频段几乎将全部能量定向至+1级衍射方向，偏折效率高达92%，同时在0级衍射处实现完全抑制（图4B-4E）。得益于q-BIC赋予的窄带共振特性，偏折光束呈现仅2.8°的超小发散角以及高达114的Q值，兼具极高的光谱与空间选择性（图4F）。如此将超高效率、自由支撑薄膜结构与窄带高Q控制集成于同一器件，在太赫兹波束操控领域前所未有，为下一代高性能、低能耗的光子器件提供了强有力的平台支撑。

图4.基于Kerker效应的膜膜超表面的实验结果。

本研究通过实验验证了高Q值+1级衍射光束的低阈值调制能力。双q-BIC简并确保了在低损耗条件下实现完整的2π相位覆盖，而损耗反转会触发明确的相位跃迁，从而影响Kerker效应的保持（图5A）。在仅0.53 W/cm²的连续光泵下，衍射强度从92%降至5.8%，调制深度高达94%，远优于未图案化硅薄膜的不足7%调制表现（图5B-5F）。实验进一步表明，该平台在脉冲激光激发下具备低阈值特性，展示出利用BIC提升Q值、实现更窄带选择性与更低调制能耗的巨大潜力，为下一代高速、低功耗太赫兹调控器件奠定基础。

图5.低阈值调制的实验结果。

本研究由南方科技大学助理研究员凡俊兴为第一作者，上海交通大学周叶副教授为共同第一作者，丛龙庆副教授为唯一通讯作者。薛占强、许桂珍、陈俊良、邢宏阳等亦为本工作作出了重要贡献。本研究获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省基础与应用基础研究基金、广东省量子科学战略专项、深圳市科技计划以及南方科技大学高水平专项资金等项目的支持。