非线性超表面实现宽带太赫兹辐射振幅、相位和偏振的完全调控

太赫兹波（THz）作为电磁波谱中连接微波与红外的重要频段，在高速通信、无损检测、生物医学成像等领域展现出了巨大应用潜力。然而，在现有传统THz辐射源中，通常难以对其辐射THz波的振幅、相位及偏振态等传输参数进行直接且精准的调控，必须依赖外置调制器件实现操控。这一局限导致系统集成度降低、插入损耗显著且带宽受限，不利于THz器件和系统的集成化发展。近年来，非线性超表面的发展为突破这一局限提供了全新思路，它可将THz产生功能与调控功能在一单层亚波长结构中实现集成。但现有研究多聚焦于对单一传输参数的调控，如何实现振幅、相位与偏振的全参数独立调控仍是领域内尚未攻克的难题。

近日，天津大学联合桂林电子科技大学、美国俄克拉荷马州立大学、沙特阿卜杜拉国王科技大学和安徽大学等机构，创新性地提出了基于耦合调控型手性超原子的非线性超表面设计方案，在国际顶级期刊《Advanced Materials》发表题为"Nonlinear Metasurfaces for Completed Control of Amplitude, Phase, and Polarization in Broadband Terahertz Generation"的研究论文，首次实现了对宽带THz辐射振幅、相位与偏振的全参数调控。 

1、基于耦合效应的磁偶极子谐振（MDR）强度调控

研究团队设计的耦合调控型手性超原子由金属条形谐振器（BR）与开口环谐振器（SRR）构成。根据非线性极化方程，超原子中SRR的磁偶极子谐振（MDR）强度与辐射THz波的振幅成正比。为实现THz波振幅调控，通过调控BR与SRR的耦合强度，手性超原子中SRR可在圆偏振泵浦条件下实现MDR强度的连续调节。其调控机理源于x偏振入射直接激发的MDR与y偏振入射耦合激发的MDR之间的干涉效应。理论计算表明，当BR与SRR的纵向间距Δs从−120 nm增至120 nm时，耦合系数κ呈现先减小后增大的非单调变化趋势，并伴随180°相位突变。这种独特的耦合调控特性使右旋圆偏振（RCP）泵浦下直接激发与耦合激发的MDR由干涉相消渐变为干涉相长，最终实现99.8%的MDR强度调制深度（图1）。

图1 基于耦合效应的MDR强度调控

2、振幅，相位和偏振全参数控制的实验验证

采用自主搭建的THz辐射表征系统进行非线性超表面的实验表征，实验装置图如图2所示。

图2 THz波辐射表征系统

1) 振幅与相位独立控制

研究团队制备了9个周期阵列样品（Δs从−120 nm变化至120 nm）。在波长1280 nm、功率密度127.3 μJ/cm²的RCP飞秒激光泵浦下，测得THz脉冲峰峰值振幅随Δs单调递增，与线性仿真预测高度吻合，验证了上述在RCP泵浦条件下通过调节Δs实现MDR强度调制，进而控制出射THz波振幅的调控方法。同时，该振幅控制的方式与非线性Pancharatnam-Berry（PB）相位调控机制相兼容，通过旋转超原子取向角θ，产生的左旋/右旋圆偏振THz波分别携带+θ和−θ的非线性PB相位，实现0-2π连续相位调控。通过调节Δs和θ，手性超原子实现了对出射THz波振幅和相位的完全且独立控制（图3）。

基于非线性PB相位的相位调制方法会使出射THz波的LCP和RCP分量的复振幅呈共轭特性（即"自旋锁定效应"），研究团队提出了一种非交错超构单元设计策略，实现了对THz辐射LCP和RCP分量的完全自旋解耦。通过在设计上针对一种旋向的THz辐射引入一对具有相反相位梯度的超单元，利用相位共轭特性，可将非线性超表面产生的LCP与RCP分量在相位梯度对应的衍射级次上同时存在，从而在该衍射级次上实现对两正交圆偏振分量的独立复振幅控制，即该设计策略最终实现了对出射THz波振幅、相位和偏振态的完全独立控制。为了验证这一能力，设计了4个非线性超表面样品，在实验中分别成功观测到LCP、RCP、右旋椭圆偏振（REP）及线偏振（LP）等多种偏振态的产生（图4），充分证实了该方法的有效性。

图4 产生任意THz偏振态

3、空间-偏振可分和不可分的THz矢量光束产生

为进一步展示振幅、相位和偏振的全参数调控能力及其应用，研究团队基于上述方法设计了两个THz矢量光束产生器，在实验上成功产生了空间-偏振可分与不可分两类独特矢量特性的THz光束，实验结果与预期高度相符（图5），且所产生的矢量光束的振幅和偏振特性在0.4~2.4 THz范围内保持高度一致性，验证了设计方法的宽带性。

图5 空间-偏振可分与不可分的THz矢量光束产生

本文所提出的非线性超表面在THz波调控方面展现出的高度自由度，为开发多功能、高密度集成的紧凑型THz源提供了全新方法。该方法可进一步拓展至二次谐波、三次谐波等非线性频率转换过程，并随着动态调控技术的进步，未来有望在此基础上实现动态可调谐的多功能集成化THz辐射源。

该成果得到国家自然科学基金等项目的支持。天津大学博士生王庆伟为论文第一作者，天津大学张学迁教授和韩家广教授、沙特阿卜杜拉国王科技大学Xixiang Zhang教授为论文的共同通讯作者，桂林电子科技大学太赫兹光子学研究团队以及安徽大学方明教授也对本工作做出了重要贡献。

文章信息：

Q. Wang, X. Zhang, Q. Xu, X. Feng, L. Niu, X. Chen, Y. Lu, J. Feng, M. Fang, X. Zhang, W. Zhang, J. Han, Nonlinear Metasurfaces for Completed Control of Amplitude, Phase, and Polarization in Broadband Terahertz Generation.Adv. Mater. 2025, 2500392. 

https://doi.org/10.1002/adma.202500392

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