突破性复合超表面设计开启太赫兹光学新纪元

研究人员开发出一种基于超表面的新方法，利用表面波生成太赫兹复杂矢量光场。这一进展使紧凑型高性能光学设备得以应用于通信、传感和 AR/VR 领域。 }w .[ZeP
《光电科学》近期刊发论文，探讨了在表面波驱动下通过超表面生成太赫兹复杂矢量光场的技术。 HEHTj,T
随着信息通信技术发展（特别是5G/6G网络、人工智能和物联网的兴起），市场对具有高带宽、快速响应、低功耗和小型化特征的片上光学调控器件需求激增。然而传统光学器件往往面临体积大、效率低、调控自由度有限等瓶颈。 EEFM1asJf
超表面作为新型光学器件，通过亚波长人工结构单元的精确排布，可实现异常反射/折射、平面棱镜、全息成像、表面波激发等特殊光学效应。近期研究探索将片上表面波作为激励源，利用超表面实现表面波的高效自由空间解耦与波前调控，为片上光学应用开辟新路径。 !N:!x[5
突破性复合超表面设计 }la\?I
该论文提出一种通用方法，可设计超紧凑片上光学器件，在表面波激励下高效生成预设的复杂波前矢量光束（VOFs），并在太赫兹频段完成实验验证。 3;(;'5|Z

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图1.超表面器件工作原理示意图。

对于具有线性几何相位的反射型超表面器件，当垂直方向线偏振光入射时，散射场将同时包含与自旋相关和自旋无关的异常/正常模式（图1a）。随着入射角增大，异常模式与正常模式经超表面调控后反射角均逐渐增大。当入射波为片上表面波时，"存活"于自由空间的模式为特定圆偏振光，该模式的辐射角度和偏振态均可通过精确设计超表面相位梯度实现任意调控（图1b,c）。
复合超表面构建复杂矢量光场
基于此，研究人员进一步提出设计复合超表面辐射复杂矢量光场的构想。将传统单一"人工原子"扩展为2×2"人工分子"，其中不同亚单元（蓝色/紫色）具有独立旋转角度与方向。在表面波激励下，这些亚单元可同时辐射左旋圆偏振(LCP)与右旋圆偏振(RCP)分量，通过干涉效应控制局部相位与偏振分量，在宏观尺度构建矢量光束的特定波前与偏振分布（图1d）。

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图2.径向偏振贝塞尔光束实验表征。

为实现该构想，研究人员开发了通用设计方法：将目标矢量光场分解为不同波矢与圆偏振基矢的叠加，通过目标总场与人工原子的映射关系确定复合超表面设计参数，最终完成原型器件设计（图2a）。例如研发的THz器件可在表面波激励下生成径向偏振贝塞尔光束，通过全波仿真与近场扫描在不同平面与偏振方向展示光场形态，结果显示高度吻合，验证了器件的优异性能（图2b-g）。该研究为实现高度集成的片上太赫兹器件提供了新思路，在生物传感、高速通信、激光雷达、AR/VR等领域具有广阔应用前景。
相关链接：https://doi.org/10.29026/oes.2025.240024

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