​“塑造”太赫兹波电场的全能“指挥” | 科技前线

“塑造”太赫兹波电场的全能“指挥” | 科技前线

太赫兹（THz）波在电磁波谱中位于微波与红外之间，独特的物理特性使其受到大量关注并快速发展，在许多学科中获得广泛应用。

中国科学院空天信息创新研究院等科研人员开发出新型太赫兹波偏振调制器，可在太赫兹频段灵活操控宽带偏振态。该技术在下一代高速无线通信、文物无损检测等场景具有巨大应用潜力。

01 在微观世界控制光

提到偏光太阳眼镜，也许大家并不陌生。根据光线的偏振原理制造的眼镜，可以排除和滤除玻璃、道路、水面的强烈反射，提供更清晰的视觉。

在学术中，偏振是指光波电场随时间的变化规律。目前，光偏振在可见光频段已能被成熟操控，但在太赫兹波段，控制光偏振困难得多。

太赫兹波是指频率在0.1太赫兹至10太赫兹范围内的电磁波，在电磁波谱中位于微波与红外线之间，具有大带宽、穿透性强等特性。

太赫兹波能够应用于新一代无线通信、材料检测、生物医药等领域。但要实现这些应用，首先要精准控制太赫兹波的偏振态。

太赫兹宽带任意偏振调制器的原理示意图

02 实现高效调控

可见光波长在百纳米（10-7m）量级，而太赫兹波长为数百微米（10-4m）。在光学频段常见的偏振调控材料想要在太赫兹频段发挥同样的效果，相应的器件厚度需要增加数百倍。

增加器件厚度带来两个显著的问题，一是影响材料的响应速度，使其变得非常迟缓；二是影响太赫兹波的透明度。

研究人员向这两项难以攻克的难题发起挑战。最终，他们发现，采用金属镜调控全反射成为一种完美适配太赫兹波长的解决方案。

全反射是日常生活中常见的现象。例如，从侧面斜视装满水的鱼缸时，无法看到鱼缸后面的物体。这是因为光在鱼缸后玻璃上形成了全反射，使之变成一面不透明的“镜子”。这一现象在太赫兹频段同样适用。

当太赫兹波发生全反射时，光波无法穿透界面，而是被“压缩”在高度仅为几十微米的区间内。

研究人员发现，若在区域内放置一个零吸收的金属反射镜，镜子仅需几微米的移动便可显著改变反射太赫兹波的偏振态。

这种“四两拨千斤”的结构，为大波长尺度的太赫兹波提供了量身定制的高效调控方案，使之能够在p-与s-偏振光之间产生高达289°的相位变化范围，进而输出任意偏振态。

通过金属镜微纳高度移动实现的偏振态改变。（a）金属镜调控全反射的方法示意图；（b）不同金属镜高度h下的p-s相位差变化；（c）金属镜高度的微纳控制。

03 实现宽频灵活调控

高度调节虽能获得任意偏振态，但每次只能在一个频率上实现，这显然是不够的。

研究人员进一步发现，全反射结构所提供的偏振相位差与频率成正比，通过引入具有双折射的液晶薄膜，可以提供与频率成反比的相位差，且斜率可调，恰好消除频率依赖性，获得无色差的偏振输出。

经液晶薄膜色散补偿后的四种宽带偏振输出

目前，这款器件的多功能、宽带、高精度调控性能可满足大多数太赫兹应用的偏振控制需求。

未来，器件将进一步集成于太赫兹光谱成像系统，用于材料物理特性分析与药物质量监测，也可作为下一代信息技术的核心部件，在高速通信中降低传输损耗、提高数据吞吐量。

来源：中国科学院空天信息创新研究院

责任编辑：曹旸