Advanced Photonics 2025年6期文章：
太赫兹（THz）波因其在无线通信、传感和成像等领域的巨大潜力，但其功能器件的发展受限于天然材料与太赫兹波的弱相互作用。超表面作为一种新型二维人工平面设备，凭借其亚波长单元设计，展现了超越自然材料的电磁特性，成为操控太赫兹波的关键技术，并广泛应用于光束调控、全息成像等领域。与传统空间光调制器相比，太赫兹超表面全息技术提供了更高的分辨率、更高的效率和更优的成像质量。然而，现有超表面大多为静态设备，功能固定，限制了其在加密系统中的应用。近年来，VO2（二氧化矾）因其可逆金属-绝缘体转变被应用于可调控超表面。但现有工作多依赖外部热驱动，存在能耗高、响应慢和实时性差等问题。因此，在太赫兹频段实现低功耗，电控和实时的动态同态加密仍是一个亟待突破的难题。
针对上述挑战，上海理工大学的庄松林院士团队联合香港城市大学，粤港澳大湾区量子信息中心，苏州纳米所等单位提出了一种创新的“梯形”设计VO2集成电控超表面。通过在电极与阶梯之间嵌入VO2，该超表面能够在0.47至0.7 THz频段内实现电调谐的全息成像。与传统的热调节方式相比，这一电控设计突破了响应速度和实时性的限制，实现了实时全息图像的生成。这一创新方案不仅为太赫兹设备在加密和成像方面提供了新的思路，还展示了其在高安全性、快速响应领域的广阔应用前景。相关成果以Electrically controlled real-time terahertz “microladder” integrated with VO2 patches for broadband holographic encryption为题，发表在Advanced Photonics 2025年6期。
为解决传统超表面热调节存在的响应慢和实时性差等问题，研究团队提出了一种创新的“梯形”设计VO2集成电控超表面(图1)，该设计能够通过电调谐实现太赫兹全息成像，并有效提升设备响应速度和调节精度。
图1 电调谐VO2“梯形”设备示意图
该超表面采用500 μm厚的c-cut蓝宝石基板，结合“梯形”设计(图2a)。VO2补丁被布置在梯形扶手和梯级之间(图2b)，通过PCB芯片(图2c)控制电流流动，从而触发VO2的金属-绝缘体转变，调节太赫兹波的传输幅度。
研究人员利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术测量了不同偏置电流下的传输光谱（图2d）。在偏置电流为0 mA时，传输光谱呈现典型的PIT效应，随着电流的增加，VO2补丁从绝缘态转变为金属态，PIT效应逐渐减弱，直至在380 mA时仅观察到偶极共振（图2e和2f）。进一步的仿真分析表明，该设计的调制深度在500 mA时可达到最大81%，在0.45到0.65 THz的频段内稳定超过75%（图2g）。此外，图2(h)的仿真结果揭示了不同VO2导电性下的电场分布变化，表明电容效应的减弱与调制深度的增加密切相关。这一创新设计为太赫兹全息成像与加密应用提供了高效、灵活的解决方案，展示了太赫兹技术在快速响应和高安全性领域的巨大潜力。
图2 电控“梯形”THz调制器的仿真与实验演示
为实现全息成像和加密功能，研究团队提出了两种类型的“梯形”设计：静态像素和动态像素，这两种设计能够通过偏置电流实现全息图像的实时切换(图3a)。实验结果显示，在绝缘态和金属态下，静态像素保持恒定的高传输，而动态像素能够在偏置电流变化时从“开”到“关”状态切换，从而实现信息的编码（图3b）。研究团队采用二进制幅度全息算法将目标图像编码为全息图，并成功重建了字符“C”（图3e）。随着偏置电流从0到360 mA的增加，研究人员能够完成完整的加密和解密过程，验证了“梯形”设计的可行性（图3f）。此外，太赫兹焦平面成像系统的应用展示了该技术在实时太赫兹全息成像和加密中的巨大潜力（图3g）。
图3 电控动态“梯形”设计用于全息成像和加密
研究团队进一步探讨了基于“梯形”设计的太赫兹电调控全息加密技术的工作带宽。实验结果表明，在0.47至0.7 THz频段内，0 mA和360 mA偏置电流下，电调控的全息图像和加密图像能够清晰区分（见图4a）。随着偏置电流的变化，加密图像和全息图像呈现明显的传输差异，且在不同电流下，图像能够实现实时调制。实验还表明，当偏置电流达到250 mA时，系统能够完成从加密到解密的全过程，证明250 mA是该全息加密系统的阈值电流，展示出了比现有太赫兹设备更低的功耗（图4b）。
图4 宽带成像与电调制过程
为了进一步优化该系统，研究团队采用量化热力学模型分析了VO2补丁在“梯形”设计超表面中的温度变化。通过使用COMSOL仿真软件，研究团队对热扩散过程进行了模拟。图5(a)展示了系统的传输响应时间，表明在周期矩形电流脉冲下，热响应时间为1.9至2秒，与实验结果高度一致(图5b)。图5(c)和5(d)展示了超表面中央点和整体的温升过程。图5(e)和5(f)展示了在yz平面和xy平面上的温度分布，表明温度变化较小，热量通过蓝宝石和空气快速扩散，而在PCB中的扩散速度较慢。这一研究证明了电控太赫兹超表面的高效热管理性能，并为进一步优化电控太赫兹全息成像和加密设备中的热响应提供了重要的理论支持。
图5 电加热超表面的热力学特性表征图
针对传统基于热控制的超表面全息成像在响应速度、操作复杂性和实时性方面的局限，研究团队创新性的提出了一种基于VO2材料的“梯形”电控宽带太赫兹（THz）超表面。通过静态与动态像素在不同偏置电流下的光学响应差异，该系统成功实现了实时全息成像与加密功能，实验结果表明系统能够在0.47至0.7 THz频段提供高质量宽带成像，验证了电控太赫兹全息超表面的可行性。该“梯形”设计结合焦平面成像系统，展现了优越的电子兼容性、低功耗、主动调制、实时成像及良好的鲁棒性，展现出在光学加密、防伪技术和下一代无线通信领域的广泛应用潜力。然而，当前设计采用了单一全局电极，限制了对动态像素的精确控制。未来，可以通过单独寻址超表面元件实现更精细的动态显示，同时通过优化热操作条件，如使用更薄的蓝宝石基板或更具透射性的材料，进一步提升系统性能。随着这些技术的持续发展，电控太赫兹全息成像与加密平台将在信息安全、抗伪造技术和高响应速度的无线通信系统中扮演越来越重要的角色，为高效能、低功耗设备的开发提供坚实基础。
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