南京大学吴培亨院士课题组的金飚兵教授、吴敬波教授联合紫金山实验室，成功研制了一种液晶可编程太赫兹超表面。该器件利用液晶的电控双折射效应，使得每个像素单元都可以独立寻址，从而在二维空间内实现像素级的极化调控。结合预设的相位分布，器件可以在空间上生成精确可控的极化矢量场，从而实现了太赫兹光场的灵活调制。研究团队制备并测试了8×8 电寻址阵列，成功展示了可编程极化图样的动态生成能力。这种像素化的液晶超表面能够在不同空间位置同时产生两种极化状态，使太赫兹极化光场调控从“整体调制”迈向“空间可编程”。该成果以“Independent polarization and phase control in liquid crystal programmable terahertz metasurfaces” 为题发表于国际光学旗舰期刊 Optica。
图1.液晶可编程太赫兹超表面实现动态极化图案显示
太赫兹波（0.1–10 THz）位于微波与红外之间，兼具电子学与光子学特性，是新一代电磁技术的重要基础。要推动高分辨成像、光学传感和智能光子系统的发展，对太赫兹波的振幅、相位和极化进行精确调控至关重要。
然而，传统太赫兹超表面大多只能整体控制单一极化状态，像“固定模式的滤镜”，难以应对复杂波场塑形和空间光场编码的需求。像素化和空间可编程化的引入，则像给超表面装上了“调光板”，不同位置可以产生不同极化状态，不仅支持极化敏感成像和波束赋型，还能实现矢量光场编码等高级功能。结合智能算法，这些器件甚至能够自适应环境，实现动态光场调控。
液晶可编程太赫兹超表面正利用液晶在二维空间调控极化的优势，展示了高维度、智能化太赫兹器件的发展潜力，为未来光子系统奠定了重要基础。
图2.单元结构设计与太赫兹反射特性仿真结果。(a) 单元结构示意图：金属谐振结构分布在上下石英基底表面，中间为 20 μm 液晶驱动层。(b) 在 0.413 THz，±45° 两正交入射偏振的反射相位差及幅度比谱，表征偏振变换特性。(c) 对 x 极化入射光，随着液晶取向逐渐变化，反射波的偏振椭圆、方位角及椭圆率随之调整，体现了电控极化调谐能力。
本研究基于金属–绝缘–金属（MIM）结构设计了一种电控太赫兹可编程极化单元。该单元由上下金属图案和中间液晶层组成，采用 ±45° 对称分裂环谐振结构，天然具备各向异性响应。液晶的介电常数可随电压调节，使谐振频率变化，从而实现可调相位差。在工作过程中，入射 x 极化波可分解为沿 +45° 与 −45° 的两束分量，它们在各向异性结构中经历不同谐振路径，反射时形成可控相位差。当相位差为 180° 时，输出极化与入射正交；为 0° 时，极化保持不变；中间过程呈现连续可调的椭圆极化态。液晶电控特性实现了 y、椭圆及 x 极化的连续切换，相当于太赫兹波段的可调“电控半波片”。
图3.共极化与交叉极化反射光谱的仿真与测量结果(a)同极化反射幅度仿真结果；(b) 交叉极化反射幅度仿真；(c) 对应的 PCR，在 ON/OFF 条件下对比。(d) 实 测同极化反射幅；(e) 交叉极化反射幅度；(f) 在 0–18 V 驱动电压作用下的 PCR 实测结果。
实验结果验证了液晶可编程超表面的高效电控极化能力。在未加电时（OFF 状态），0.41–0.42 THz 范围内 x 极化入射波几乎完全转换为 y 极化输出（同极化反射 <0.13，交叉极化反射 >0.8）；施加电压后，液晶调节谐振频率，实现极化状态可控切换（同极化反射从 0.05 升至 0.80，交叉极化反射从 0.80 降至 0.22）。极化转换率（PCR）随电压可从 0.99 下降至 0.01，实现反射太赫兹波极化的连续、精确调控。实验与仿真高度一致，充分展示了该器件在动态极化调制中的优异性能。
2.可编程极化编码平台：实现空间分布式极化图案的实时生成
图4.可编程超表面在动态太赫兹极化图案生成中的性能表征 。(a) 器件光学形貌图。(b) 上层金属图案结构的显微镜图像。(c) 测量得到的PCR光谱。(d) 在0.414 THz频率下，不同预设模式下测得的共极化与交叉极化电场归一化强度分布。
为了实现太赫兹极化的动态与空间分布调控，研制了一块由 8×8 可寻址单元组成的液晶可编程超表面。每个 3.5 mm × 3.5 mm 的金属像素可通过 DAC 独立施加电压，实现逐像素调控。测试显示，OFF 状态下 0.414–0.420 THz 范围内 PCR 高于 0.92，ON 状态则低于 0.12，证明像素化结构仍保持高效极化转换，为二维极化控制奠定基础。
在此基础上，通过对器件施加不同电压编码，实现了“N”“J”“U”“笑”“哭”五种可编程极化图案。半波片模式（OFF 状态）下交叉极化反射增强，镜面模式（ON 状态）下同极化反射占优。实验结果在同极化通道清晰复现字符或图形，同时在交叉极化通道呈现互补特征，展现出高空间分辨率与高保真度的二维太赫兹极化图案调控能力。
3.极化–相位解耦：实现双自由度的太赫兹波前调控
图5.极化与相位联合调制的太赫兹可编程超表面。(a) 单元结构顶层的示意图，展示用于相位调控的平面内旋转轴。(b) 在左旋圆极化入射下，仿真的透射交叉极化波的相位与电场幅度随旋转角度的变化关系。(c) 在圆极化入射下，器件于工作频率处的仿真 PCR 随取向角的变化曲线，分别对应 ON 与 OFF 两种状态。(d) 采用两种不同取向角的单元组成的棋盘式空间排布。(e) OFF 状态下，所有像素的交叉极化电场强度与相位分布，以及同极化幅度的实测结果。(f) 四种不同极化配置下，同极化与交叉极化分量的归一化电场强度的实测结果。
为了突破极化图案的局限，“相位工程”被引入可编程超表面，使太赫兹波前可实现全自由度调控。核心在于旋转每个单元的平面角度，从而精确控制反射波的相位。在关闭状态下，单元像半波片一样高效完成极化转换，旋转 α 即可产生线性 2α 的相位延迟。仿真显示，交叉极化幅度始终很强，相位随旋转线性变化，圆偏振光入射时旋转 90°可额外获得 180°相位。
实验验证采用 0°/90°棋盘格结构，交叉极化强度高、同极化信号弱，呈现预期“黑白棋盘”式相位分布。施加不同电压图案后，波前可在半波片与反射镜状态间动态切换。这表明该超表面不仅可调控极化，还能自由重构相位，实现“极化 + 相位双自由度”的太赫兹波前调控。
本研究展示了一种兼具极化与相位可编程能力的液晶超表面，为太赫兹场景中的动态波前调控提供了高自由度的平台。通过对每个像素独立施加电压，器件能够生成空间非均匀的极化分布，实现偏振敏感的压缩感知成像以及可重构的极化矢量场，为太赫兹系统的目标识别、环境感知和多路极化复用通信提供重要支撑。此外，基于单元方位角与反射相位之间的确定性关系，超表面能够在预设相位梯度下稳定构建 0°/180° 相位域，实现复杂极化图案的动态编码，为安全通信、抗干扰传输和自适应波束调控奠定基础。
总体而言，该可编程太赫兹超表面实现了结构化、空间连续可调的极化与相位联合调控能力，实验与仿真均证明其在高保真极化分布合成与精准波前构建中的稳定性与可控性。凭借这一双维度调控特性，该平台在光学加密、隐身技术、可重构成像以及高容量通信等领域展现出广阔的发展潜力，并为未来太赫兹波的智能调控提供了可扩展的技术路径。
论文信息：
南京大学博士生汪晟为论文第一作者，吴敬波教授和金飚兵教授为通讯作者。南京大学范克彬副教授、张彩虹教授、王华兵教授、陈健教授和吴培亨院士给予了重要建议和指导, 南京大学博士后陈本纹、研究生朱伟、郭航兵、万方宇和崔恒昱同学亦有重要贡献，研究工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、中央高校基本科研业务费及极端性能光电技术教育部重点实验室、江苏省电磁波先进调控技术重点实验室的支持。
Sheng Wang, Wei Zhu, Hangbing Guo, Benwen Chen, Fangyu Wan, Hengyu Cui, Jingbo Wu, Caihong Zhang, Kebin Fan, Huabing Wang, Biaobing Jin, Jian Chen, and Peiheng Wu, "Independent polarization and phase control in liquid crystal programmable THz metasurfaces," Optica 12, 1830-1837 (2025)
论文链接：
https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-12-11-1830
撰稿|课题组
