隨著研究的不斷深入，太赫茲科學(xué)與技術(shù)在多個(gè)基礎(chǔ)研究及工程應(yīng)用領(lǐng)域的重要地位日益凸顯。輻射源、傳輸與控制及探測(cè)感知是太赫茲技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展需要繼續(xù)探索的三個(gè)重要方面。太赫茲波應(yīng)用的共同基礎(chǔ)是使其與物質(zhì)發(fā)生有效的相互作用以攜帶信息、傳輸能量等，實(shí)現(xiàn)這些過程往往需要對(duì)太赫茲信號(hào)的振幅、相位、頻率、偏振、波前等電磁特性及自旋角動(dòng)量、軌道角動(dòng)量等光子特性在時(shí)空維度上進(jìn)行調(diào)控。上述調(diào)控可以直接在輻射源處進(jìn)行，也可以在傳輸過程中引入額外的功能器件。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，天津大學(xué)激光與光電子研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《自然雜志》期刊上發(fā)表了以“太赫茲波調(diào)控技術(shù)：駕馭太赫茲之光”為主題的文章。該文章第一作者為姚建銓院士，通訊作者為姚建銓院士和張雅婷教授，姚建銓院士主要從事激光與非線性光學(xué)頻率變換、太赫茲科學(xué)與技術(shù)方面的研究工作，張雅婷教授主要從事微納光電子材料與器件、太赫茲技術(shù)方面的研究工作。

本文介紹了幾種最具代表性的、基于源及器件的太赫茲波調(diào)控技術(shù)，并總結(jié)其基本原理、發(fā)展歷程及最新進(jìn)展。太赫茲波調(diào)控技術(shù)的發(fā)展將為太赫茲波的進(jìn)一步應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

典型應(yīng)用

太赫茲波所衍生出的科學(xué)與技術(shù)在基礎(chǔ)研究和工業(yè)應(yīng)用方面都具有極大的價(jià)值。這里簡(jiǎn)要介紹幾種典型應(yīng)用。

圖1 電磁波譜圖

（1）太赫茲波在下一代無線通信中的應(yīng)用（如圖2）；（2）太赫茲波在天文學(xué)中的應(yīng)用；（3）太赫茲波在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用（如圖3和圖4）；（4）太赫茲波在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用（如圖5和圖6）；

圖2 6G通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景

圖3 赫歇爾空間天文臺(tái)

圖4 南極冰穹A太赫茲觀測(cè)窗口

圖5 太赫茲光譜的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

圖6 太赫茲波調(diào)控技術(shù)：源調(diào)控及器件調(diào)控

太赫茲源調(diào)控

近年來，大型同步輻射光源、自由電子激光、高頻率真空電子器件、半導(dǎo)體器件以及超快超強(qiáng)高能激光技術(shù)的快速推進(jìn)，為各種大功率和寬譜太赫茲輻射源提供了有力支撐。太赫茲輻射常見的實(shí)現(xiàn)途徑主要有非線性媒質(zhì)（非線性光學(xué)、微波倍頻等）、加速的電荷或時(shí)變的電流（光電導(dǎo)、自由電子激光等）。在輻射源端通過光、電、磁等物理激勵(lì)可實(shí)現(xiàn)太赫茲波電磁特性的有效控制，是太赫茲波調(diào)控技術(shù)的重要組成部分。

自旋電子學(xué)源

超快激光泵浦的自旋激發(fā)太赫茲輻射為可調(diào)諧的低成本、超寬帶、易集成太赫茲源提供了新思路，在太赫茲源調(diào)控技術(shù)方面尤為突出。基于超快電子自旋動(dòng)力學(xué)的太赫茲輻射機(jī)制主要有超快退磁、逆自旋霍爾效應(yīng)（ISHE）、逆Rashba-Edelstein效應(yīng)（IREE）、自旋塞貝克效應(yīng)等。1996年法國(guó)科學(xué)家Beaurepaire等利用飛秒激光在鐵磁金屬Ni中首次觀察到超快退磁現(xiàn)象。此后通過對(duì)超快退磁機(jī)制的研究，與電子自旋屬性相關(guān)的超快電流被利用來產(chǎn)生太赫茲輻射。2013年，Kampfrath等通過飛秒激光脈沖激發(fā)鐵磁/重金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)，他們將鐵磁層中光誘導(dǎo)的自旋流注入非鐵磁層，基于逆自旋霍爾效應(yīng)，將皮秒尺度的自旋流轉(zhuǎn)化為電荷流，從而輻射出了皮秒尺度的太赫茲脈沖。同年，Sánchez等在Ag/Bi界面中發(fā)現(xiàn)了IREE效應(yīng)（圖7（b））。實(shí)驗(yàn)中利用自旋抽運(yùn)效應(yīng)注入自旋流。2018年，美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和復(fù)旦大學(xué)/電子科技大學(xué)的兩個(gè)獨(dú)立課題組分別利用飛秒激光實(shí)現(xiàn)了Ag/Bi界面上基于IREE的超快自旋流-電荷流轉(zhuǎn)換（圖7（b-c）），并測(cè)量了太赫茲脈沖。2022年，金鉆明等人報(bào)道了一種在聚乙烯對(duì)苯二甲酸酯（PET）柔性襯底上制備的Pt/CoFe/Ta鐵磁/非磁異質(zhì)結(jié)構(gòu)自旋光電子學(xué)太赫茲輻射源（圖7（d））。最近，新加坡南洋理工大學(xué)Ranjan Singh教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了使用單晶壓電材料薄膜的非線性電控自旋電流型太赫茲輻射源（圖7（e）），利用PMN-PT將人工磁電耦合到自旋電子太赫茲發(fā)射器上，并在剩磁條件下提供高達(dá)270%的太赫茲振幅調(diào)制。自旋的非線性電場(chǎng)控制是由于應(yīng)變引起的鐵磁體薄膜磁能的變化而發(fā)生的。研究結(jié)果揭示，太赫茲自旋電流相位穩(wěn)定且可重復(fù)切換。

圖7 太赫茲自旋電子學(xué)源調(diào)控。（a）鐵磁/重金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)，逆自旋霍爾效應(yīng)；（b-c）Ag/Bi界面上基于IREE的超快自旋流-電荷流轉(zhuǎn)換；（d）柔性Pt/CoFe/Ta鐵磁/非磁異質(zhì)結(jié)輻射源；（e）單晶壓電材料薄膜的非線性電控自旋電流型太赫茲輻射源

非線性光學(xué)效應(yīng)及光電效應(yīng)

2020年，北京航空航天大學(xué)吳曉珺教授團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地研究了飛秒激光脈沖驅(qū)動(dòng)的拓?fù)浣^緣體Bi?Te?納米薄膜的太赫茲輻射，并通過改變泵浦光的偏振態(tài)成功實(shí)現(xiàn)了手性、橢圓率和偏振主軸實(shí)時(shí)可控的高效手性太赫茲波的產(chǎn)生（圖8（a））。手性太赫茲波的自由調(diào)控可以通過光電效應(yīng)誘導(dǎo)的光電流來解釋，而線性偏振太赫茲波則源自線性光電效應(yīng)誘導(dǎo)的位移電流。2021年，清華大學(xué)楊原牧等人利用商用化氧化銦錫（ITO）薄膜在1400 nm附近的折射率近零（ENZ）效應(yīng)產(chǎn)生了寬帶太赫茲輻射（圖8（b））。該輻射源具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、納米級(jí)厚度并不受傳統(tǒng)非線性晶體相位匹配的限制。同年，天津大學(xué)陸永昌等人結(jié)合ITO薄膜與光學(xué)非線性超表面實(shí)現(xiàn)了太赫茲輻射的增強(qiáng)與調(diào)控一體化設(shè)計(jì)（圖8（c））。超表面的等離子體共振與ITO 薄膜的ENZ模式之間的耦合將太赫茲輻射效率提高了4個(gè)數(shù)量級(jí)以上。同時(shí)，這種混合設(shè)計(jì)能夠通過等離子體超原子的非線性PB相位來塑造輻射太赫茲波束的偏振和波前。2022年，南方科技大學(xué)李貴新教授等人報(bào)道了利用光學(xué)非線性超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)波束衍射級(jí)和線偏振同時(shí)可控的寬帶THz超光柵輻射源（圖8（d）），演示了超表面光柵對(duì)太赫茲輻射的零級(jí)抑制及線偏振態(tài)的全光控制。

圖8 非線性光學(xué)效應(yīng)及光電效應(yīng)的太赫茲源調(diào)控。（a）基于拓?fù)浣^緣體的手性太赫茲輻射；（b）折射率近零效應(yīng)產(chǎn)生寬帶太赫茲輻射；（c）ITO薄膜與光學(xué)非線性超表面實(shí)現(xiàn)太赫茲輻射增強(qiáng)與調(diào)控一體化設(shè)計(jì)；（d）光學(xué)非線性超構(gòu)表面光柵實(shí)現(xiàn)寬帶THz輻射

太赫茲器件調(diào)控

太赫茲源雖然可以在外加物理場(chǎng)控制下實(shí)現(xiàn)電磁參數(shù)可調(diào)諧的輻射，但需要增加輻射結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，并且可調(diào)控的參數(shù)往往是單個(gè)或者很少。相比而言，功能器件對(duì)于太赫茲波的調(diào)控顯得更加靈活，在同一個(gè)太赫茲信號(hào)上可以隨意切換不同的調(diào)控功能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)更多參數(shù)及時(shí)空維度的調(diào)控。

太赫茲波段可供利用的自然材料種類非常有限，傳統(tǒng)的太赫茲器件大多采用體積大、功能單一、效率低下且價(jià)格昂貴的材料或技術(shù)方案，因此針對(duì)太赫茲波的各種高效率、低成本、結(jié)構(gòu)緊湊的新型調(diào)控功能器件的開發(fā)設(shè)計(jì)還有很大的發(fā)展空間。超構(gòu)材料和超構(gòu)表面研究的快速發(fā)展為太赫茲器件的開發(fā)提供了嶄新的技術(shù)方案。作為人工設(shè)計(jì)的金屬或電介質(zhì)亞波長(zhǎng)單元陣列，超表面功能多樣，結(jié)構(gòu)緊湊，易于制備，可以有效彌補(bǔ)太赫茲波段自然材料的匱乏。超構(gòu)表面目前已經(jīng)在太赫茲波的振幅、偏振、相位、波前、角動(dòng)量等電磁或光子學(xué)參數(shù)的調(diào)控方面取得了諸多突破，實(shí)現(xiàn)了聚焦、偏折、起偏、吸收、偏振變換、全息成像、動(dòng)態(tài)調(diào)制等光場(chǎng)調(diào)控功能。經(jīng)過十余年的發(fā)展，超構(gòu)表面目前正朝著多通道、多電磁參數(shù)、主動(dòng)調(diào)控的趨勢(shì)進(jìn)一步發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波在更多時(shí)空維度的調(diào)控。

單一參量調(diào)控

振幅調(diào)控

廣義地講，對(duì)于電磁波振幅的調(diào)控方式主要有吸收、散射、干涉等。2008年，美國(guó)波士頓大學(xué)的N. I. Landy等人首次報(bào)道了微波段的超材料完美吸收器。他們?cè)O(shè)計(jì)了雙開口環(huán)-絕緣層-矩形條的三層結(jié)構(gòu)，利用亞波長(zhǎng)電磁耦合效應(yīng)在11.5 GHz處得到了高達(dá)88%的實(shí)測(cè)吸收率（圖9（a））。同年，該課題組將類似的結(jié)構(gòu)用在了太赫茲波段，在1.3 THz處實(shí)現(xiàn)了70%的吸收（圖9（b））。此后太赫茲超表面吸收器的研究活躍多年。近幾年，基于摻雜硅、碳基泡沫材料等方式的太赫茲吸收器也多有報(bào)道（圖9（cd））。在散射方面，東南大學(xué)崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)于2015年報(bào)道了基于超表面的太赫茲波反射縮減。他們利用算法優(yōu)化的偽隨機(jī)相位排布實(shí)現(xiàn)了寬帶、大角度范圍的太赫茲波散射，在1~1.8 THz范圍內(nèi)反射低于10%（圖9（e））。

圖9 基于超構(gòu)表面的太赫茲振幅調(diào)控。（a）微波段超表面完美吸收體；（b）太赫茲波段超表面完美吸收體；（c）摻雜硅超表面太赫茲吸收器；（d）碳基納米材料太赫茲吸收器；（e）基于隨機(jī)相位優(yōu)化的超表面太赫茲波散射體

相位與波前調(diào)控

2011年，哈佛大學(xué)FedericoCapasso教授課題組提出光學(xué)介質(zhì)界面相位不連續(xù)情況下的折射反射描述規(guī)律，即廣義Snell定律，從而拉開了基于超表面的相位與波前調(diào)控研究序幕。他們?cè)O(shè)計(jì)了V形金屬諧振單元，通過改變諧振單元的形狀實(shí)現(xiàn)了線偏振交叉分量的相位梯度設(shè)計(jì)，在近紅外波段展示了光束偏折及渦旋波束的產(chǎn)生（圖10（a））。2013年，首都師范大學(xué)張巖教授團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了太赫茲波段的超表面波前調(diào)控器件。他們采用鏤空型的V形結(jié)構(gòu)展示了超薄的聚焦透鏡、全息器件及太赫茲渦旋波束產(chǎn)生器（圖10（b））。同年，天津大學(xué)張學(xué)遷等人在太赫茲波段設(shè)計(jì)的圓形開口環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了相位梯度，展示了基于超表面的太赫茲波束偏折和衍射聚焦（圖10（c））。

圖10 基于超構(gòu)表面的太赫茲相位及波前調(diào)控。（a）光學(xué)波段的超表面波前調(diào)控；（b）太赫茲波段V形結(jié)構(gòu)的波前控制；（c）太赫茲波段C形開口環(huán)的波前控制

偏振調(diào)控

傳統(tǒng)光學(xué)器件主要采用線雙折射晶體制成的半波片和四分之一波片實(shí)現(xiàn)偏振旋轉(zhuǎn)和變換，具有圓雙折射特性的材料如磁光材料、手性介質(zhì)等也可實(shí)現(xiàn)微弱的偏振操控。眾所周知，一束完全偏振光可以分解為具有特定相位差和振幅比的正交線偏振或圓偏振分量，只要改變相位差或振幅比就能實(shí)現(xiàn)偏振調(diào)控。而超表面偏振調(diào)控器件主要也是基于上述機(jī)制，通過設(shè)計(jì)亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)單元的形狀和空間朝向、對(duì)稱性等特性實(shí)現(xiàn)所需的偏振響應(yīng)。早在2003年，英國(guó)南安普敦大學(xué)的A. Papakostas等人就提出，打破面內(nèi)鏡像對(duì)稱性和高階旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的手性超表面具有偏振旋轉(zhuǎn)特性（圖11（a））。2004年，加拿大維多利亞大學(xué)的R. Gordon等人利用橢圓金屬孔陣列實(shí)現(xiàn)了可見光的透射波偏振轉(zhuǎn)換功能（圖11（b））。2008年，加州大學(xué)伯克利分校張翔教授課題組采用“L”形金屬孔實(shí)現(xiàn)了近紅外光的偏振旋轉(zhuǎn)（圖11（c））。在太赫茲波段，張翔教授團(tuán)隊(duì)于2009年首次報(bào)道了基于MEMS技術(shù)的太赫茲手性超表面（圖11（d）），他們研究了其自旋選擇性吸收和負(fù)折射效應(yīng)。2013年，天津大學(xué)韓家廣教授團(tuán)隊(duì)提出的一種三層金屬光柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了透射波線偏振旋轉(zhuǎn)功能，該結(jié)構(gòu)利用三層金屬間的F-P（Fabry-Perot）共振效應(yīng)使太赫茲波多次反射，大大提高了偏振旋轉(zhuǎn)效率（圖11（e））。2014年，該團(tuán)隊(duì)又利用類似的原理設(shè)計(jì)了一款透射式的寬帶太赫茲四分之一波片（圖11（f））。2016年，英國(guó)伯明翰大學(xué)的Mitchell Kenney等人報(bào)道了一種全硅“人”字形手性超表面（圖11（g）），該結(jié)構(gòu)利用具有不同高度及方位角的相鄰單元之間的Pancharatnam-Berry相位干涉實(shí)現(xiàn)了自旋選擇性透射（圖11（h））。2021年，天津大學(xué)激光與光電子研究所提出平面化雙“L”形全硅結(jié)構(gòu)手性超表面（圖11（i）），以導(dǎo)波共振的方式實(shí)現(xiàn)了自旋選擇性太赫茲透射，實(shí)驗(yàn)測(cè)得圓二色峰值達(dá)43%。

圖11 基于超構(gòu)表面的太赫茲偏振調(diào)控。（a）光波段手性超表面的偏振旋轉(zhuǎn)特性；（b）基于橢圓孔的可見光透射波偏振轉(zhuǎn)換；（c）“L”形金屬孔實(shí)現(xiàn)了近紅外光的偏振旋轉(zhuǎn)；（d）基于MEMS技術(shù)的太赫茲手性超表面；（e-f）基于三層金屬光柵結(jié)構(gòu)的太赫茲半波片及四分之一波片；（g-h）全硅“人”字形太赫茲手性超表面；（i）平面化雙“L”形全硅結(jié)構(gòu)手性超表面

復(fù)合參量調(diào)控

在基于超表面的太赫茲波調(diào)控過程中，許多情況下兩個(gè)或多個(gè)電磁參量可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制，這與超表面單元諧振的物理機(jī)制有關(guān)。2013年，美國(guó)勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Hou-Tong Chen團(tuán)隊(duì)利用金屬-絕緣介質(zhì)-金屬三層結(jié)構(gòu)在太赫茲波段分別實(shí)現(xiàn)了反射波偏振轉(zhuǎn)化和透射波的交叉分量波前調(diào)控（圖12（a）），該結(jié)構(gòu)大大提高了器件的工作效率。其中透射式結(jié)構(gòu)對(duì)太赫茲波的偏振及波前（相位）實(shí)現(xiàn)了同時(shí)控制。2014年，英國(guó)伯明翰大學(xué)的張霜教授團(tuán)隊(duì)利用金屬圓形開口環(huán)實(shí)現(xiàn)了透射太赫茲波的振幅和相位同時(shí)控制，他們通過調(diào)整開口大小和朝向設(shè)計(jì)了幾種超表面奇異光柵，實(shí)現(xiàn)了衍射級(jí)控制（圖12（b））。2018年，天津大學(xué)韓家廣教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了基于反射式手性超構(gòu)表面的圓偏振復(fù)用太赫茲全息，利用異構(gòu)手性超原子的組合排列實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射波偏振、振幅、波前三個(gè)參數(shù)的同時(shí)控制（圖12（c））。2022年，天津大學(xué)姚建銓院士團(tuán)隊(duì)李繼濤等人報(bào)道了基于全硅超表面的起偏-波前控制一體化器件（圖12（d）），他們利用兩種各向異性超原子交叉排列組合成新的單元，通過兩個(gè)原子間交叉偏振分量的相消相長(zhǎng)干涉及新單元間的相對(duì)相位，分別實(shí)現(xiàn)了偏振產(chǎn)生和波前控制的功能。同年，該團(tuán)隊(duì)利用幾何相位與動(dòng)力學(xué)相位的聯(lián)合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了縱向演化太赫茲矢量光束的產(chǎn)生（圖12（e-f）），通過正交圓偏振分量的長(zhǎng)焦深聚焦錯(cuò)位疊加，展示了三個(gè)電場(chǎng)分量在橫向和縱向空間中的同時(shí)調(diào)控，該工作同時(shí)對(duì)太赫茲波的偏振和波前實(shí)現(xiàn)了三維空域控制。

圖12 基于超構(gòu)表面的太赫茲復(fù)合參量調(diào)控。（a）基于金屬-絕緣介質(zhì)-金屬三層結(jié)構(gòu)的太赫茲透射偏振-波前控制；（b）基于金屬圓形開口環(huán)的透射太赫茲波的振幅和相位同時(shí)控制；（c）反射式手性超構(gòu)表面太赫茲波偏振-振幅-波前控制；（d）基于全硅超表面的起偏-波前控制一體化器件；（e-f）基于全硅超表面的縱向演化太赫茲矢量光束的產(chǎn)生

多通道調(diào)控

超表面單元具有各向異性、強(qiáng)色散等奇異電磁特性，從而能夠在一個(gè)器件中通過頻率、偏振等參量的復(fù)用實(shí)現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立的設(shè)計(jì)通道，對(duì)不同偏振態(tài)、工作頻率表現(xiàn)出不同的響應(yīng)。2015年，加州理工學(xué)院的Andrei Faraon教授課題組首次報(bào)道了光學(xué)超表面的偏振復(fù)用波前調(diào)控（圖13（a））。他們?cè)谘趸枰r底上制備了非晶硅的橢圓納米柱陣列，實(shí)現(xiàn)了近紅外波段的正交線偏振、圓偏振分量的獨(dú)立波前控制，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的平均透射效率高達(dá)85%。2016年，東南大學(xué)崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一款太赫茲波段的反射式線偏振復(fù)用太赫茲超表面，該結(jié)構(gòu)由“金屬微結(jié)構(gòu)-介質(zhì)-金屬反射板”構(gòu)成，對(duì)正交線偏振入射太赫茲波實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立、高效的反射波前控制（圖13（b））。2017年，哈佛大學(xué)FedericoCapasso教授課題組從理論上系統(tǒng)地論述了具有正交偏振態(tài)的電磁波相位獨(dú)立控制方法，重點(diǎn)介紹了結(jié)合動(dòng)力學(xué)相位和幾何相位實(shí)現(xiàn)正交圓偏振態(tài)獨(dú)立相位控制的實(shí)現(xiàn)方式，并實(shí)驗(yàn)展示了其在可見光波段的手性全息應(yīng)用（圖13（c））。同年，天津大學(xué)韓家廣教授團(tuán)隊(duì)利用各向異性的全硅結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了線偏振復(fù)用的太赫茲波前調(diào)控。2019年，該團(tuán)隊(duì)的許悅紅等人報(bào)道了基于自旋解耦超表面的雙通道非對(duì)稱偏振態(tài)產(chǎn)生，該器件對(duì)于不同的線偏振入射波產(chǎn)生不同的偏振態(tài)分離（圖13（d））。2021年，天津大學(xué)姚建銓院士團(tuán)隊(duì)的李杰等人設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一種具有獨(dú)立線偏振通道的偏振變換-波前控制一體化超構(gòu)器件，他們利用全硅各向異性單元的線雙折射結(jié)合空間交織排列形成三個(gè)獨(dú)立相位通道，并基于正交分量的復(fù)振幅疊加，實(shí)現(xiàn)了偏振變換和波前設(shè)計(jì)（圖13（e））。2022年，該團(tuán)隊(duì)利用空間交織排列方式，通過對(duì)全硅結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了太赫茲波段的頻率復(fù)用超表面，透射太赫茲波分別在0.8 THz和1 THz頻率處表現(xiàn)為拓?fù)浜蔀?和0的聚焦波束。

圖13 基于超構(gòu)表面的太赫茲多通道調(diào)控。（a）光波段全介質(zhì)結(jié)構(gòu)的線偏振及圓偏振復(fù)用；（b）太赫茲波段金屬結(jié)構(gòu)線偏振復(fù)用超表面；（c）正交圓偏振光波的獨(dú)立相位控制；（d）全硅結(jié)構(gòu)的太赫茲圓偏振復(fù)用；（e）全硅結(jié)構(gòu)線偏振復(fù)用的波前控制

主動(dòng)調(diào)控

通過外加物理場(chǎng)改變器件的電磁響應(yīng)稱之為主動(dòng)調(diào)控，該器件也可稱之為有源器件。太赫茲波在與物質(zhì)相互作用過程中對(duì)其折射率、電導(dǎo)率等材料特性比較敏感，且該波段內(nèi)有源材料豐富，尺寸較大，容易制備，因此主動(dòng)控制超表面的研究異常活躍。這為太赫茲器件在外加電、光、熱、磁等物理場(chǎng)條件下的主動(dòng)控制功能提供了可能性，也為太赫茲波調(diào)控增添了新的自由度，極大地增強(qiáng)了太赫茲功能器件的靈活性和智能化程度。

2006年，美國(guó)勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Richard D. Averitt教授團(tuán)隊(duì)在Nature雜志發(fā)表了第一個(gè)太赫茲主動(dòng)調(diào)控超構(gòu)器件的工作。他們將一組金屬電諧振超表面單元制備在半導(dǎo)體襯底上，諧振單元陣列和襯底一起有效地形成了一個(gè)肖特基二極管，在電壓偏置下實(shí)現(xiàn)了高達(dá)50%的太赫茲透射振幅調(diào)制深度（圖14（a））。2011年，韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)的J. S. Kyoung等人利用金屬超表面-二氧化釩復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了基于材料室溫相變的太赫茲波動(dòng)態(tài)調(diào)制，他們分別展示了氧化釩薄膜的溫致相變和光致相變情形下的振幅調(diào)制性能。2012年，加州大學(xué)伯克利分校的張翔教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種光控手性太赫茲超表面，利用硅-金屬雜化MEMS結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了激光照射下太赫茲波的橢圓率翻轉(zhuǎn)和偏振旋轉(zhuǎn)（圖14（b））。同年，該課題組設(shè)計(jì)了一種單層石墨烯-超表面雜化結(jié)構(gòu)，在電偏置條件下實(shí)現(xiàn)了高達(dá)90%的振幅調(diào)制和40°的相位偏移（圖14（c））。2013年，首都師范大學(xué)張巖教授團(tuán)隊(duì)利用結(jié)構(gòu)化飛秒激光照射硅片產(chǎn)生光生載流子作為諧振單元，實(shí)現(xiàn)了太赫茲波的空間光調(diào)制器，并展示了其實(shí)時(shí)產(chǎn)生太赫茲矢量光束和計(jì)算全息圖像的功能（圖14（d））。2015年，南開大學(xué)常勝江教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了基于InSb超表面的太赫茲波非互易傳輸及主動(dòng)控制，在外加磁場(chǎng)條件下，InSb表現(xiàn)出很強(qiáng)的磁光特性，實(shí)現(xiàn)了透射太赫茲波的高效磁場(chǎng)調(diào)制。2017年，英國(guó)伯明翰大學(xué)的張霜教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種雙層金屬手性超表面，并利用單層石墨烯-離子凝膠技術(shù)在電壓偏置下實(shí)現(xiàn)了透射太赫茲波高效的偏振及相位調(diào)控（圖14（e））。2021年，天津大學(xué)姚建銓院士團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種光控全介質(zhì)結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧太赫茲吸收器，他們利用1064 nm連續(xù)激光照射高阻硅超表面，利用該激光光子能量與高阻硅能帶的匹配關(guān)系，在500 μm厚度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了大于1.3 THz的吸收帶寬和100%的調(diào)制深度（圖14（g））。2022年，南京大學(xué)金飚兵教授團(tuán)隊(duì)利用金屬-二氧化釩雜化結(jié)構(gòu)陣列實(shí)現(xiàn)了太赫茲波段的可編程超表面，并展示了其非易失性存儲(chǔ)特性（圖14（h））。同年，東南大學(xué)崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)報(bào)道了基于超表面-液晶復(fù)合結(jié)構(gòu)的太赫茲可編程超表面，并演示了其電控動(dòng)態(tài)波束掃描功能（圖14（f））。

圖14 基于超構(gòu)表面的太赫茲主動(dòng)調(diào)控。（a）電控金屬-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太赫茲超表面；（b）光控MEMS手性太赫茲超表面；（c）電控石墨烯振幅調(diào)制器；（d）結(jié)構(gòu)化飛秒激光泵浦的太赫茲空間光調(diào)制器；（e）電控石墨烯-金屬手性超表面；（f）基于液晶的可編程太赫茲超表面；（g）連續(xù)激光調(diào)諧的全硅太赫茲吸收器；（h）金屬-二氧化釩雜化結(jié)構(gòu)可編程太赫茲超表面

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了太赫茲波調(diào)控技術(shù)的兩類主要方案，分別為太赫茲源的調(diào)控和太赫茲功能器件。太赫茲源部分梳理了自旋電子學(xué)源的發(fā)展歷程和代表性工作，另外介紹了幾種最新報(bào)道的基于拓?fù)浣^緣體光電效應(yīng)、近零折射率材料及光學(xué)超表面非線性光學(xué)效應(yīng)的輻射源。功能器件部分主要介紹了最新前沿研究的太赫茲超表面器件，從調(diào)控方式上按照單參數(shù)、多參數(shù)、多通道、可調(diào)諧等方面分別進(jìn)行介紹，列舉了近10年來的部分主要工作。

基于源及功能器件的太赫茲波調(diào)控技術(shù)已經(jīng)取得了明顯的進(jìn)展，但仍有一些不可忽視的問題需要完善或解決。對(duì)于太赫茲源，目前大多數(shù)技術(shù)方案仍然需要高性能飛秒激光脈沖作為激勵(lì)源，而輻射的太赫茲波功率往往比較有限。另外，自旋電子學(xué)源及非線性超構(gòu)表面輻射源需要納米級(jí)薄膜甚至圖案化結(jié)構(gòu)的制備，與現(xiàn)有的電光晶體、光電導(dǎo)天線等成熟方案相比加工難度較大。如何進(jìn)一步縮小系統(tǒng)體積、提高太赫茲輻射效率、降低核心組件的加工難度是值得思考的方面。對(duì)于功能器件，單層金屬結(jié)構(gòu)超表面由于阻抗不匹配，其效率明顯低下，而雙層或多層金屬結(jié)構(gòu)將大大增加大面積樣品的加工難度。全硅結(jié)構(gòu)雖然效率有所提高，但高折射率所導(dǎo)致的菲涅爾損耗高達(dá)30%，并且采用低折射率襯底也會(huì)增大加工難度。另外，波前調(diào)控類超表面器件設(shè)計(jì)相對(duì)繁瑣，需要進(jìn)行大量的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與選取。提高器件的調(diào)控效率及能量利用率、減小器件的加工難度、提升器件設(shè)計(jì)的效率等方面是值得進(jìn)一步努力的方向。

審核編輯：彭菁