高精度調控讓太赫茲波“舞動”自如

　　1月22日，記者從中國科學院空天信息創新研究院（以下簡稱空天院）獲悉，空天院研究員陳學權、方廣有聯合南京大學教授吳敬波團隊，通過創新技術實現超寬帶太赫茲偏振態的高精度動態調控，成果發表于《光學（Optica）》。這一關鍵技術的突破有助于推動太赫茲在新一代無線通信、文物無損檢測、生物微量傳感等方向的重要應用，在電子信息、文化遺產到生命健康領域發揮獨特的作用。

　　太赫茲（THz）波在電磁波譜中位于微波與紅外之間，相關技術在過去二十年中受到大量關注并快速發展。太赫茲獨特物理特性促使其在許多學科中獲得廣泛應用，例如太赫茲波的大帶寬是未來6G高速無線通信的基礎；太赫茲波能穿透并以優異的橫、縱向分辨率解析許多光學不透明材料，使其成為繼X光和超聲之后的另一種新型無損檢測技術，在制造業、制藥業和考古學等領域具有獨特優勢；太赫茲波對水氫鍵網絡弛豫、分子振動和載流子濃度的高靈敏度，使之成為生物醫學、化學和物理研究中不可或缺的工具。

　　在大多數應用中，太赫茲波的偏振態是一個關鍵控制參數。偏振描述的是電場振動隨時間的變化規律，陳學權說：“光波的電場振動如同藝術體操運動員手里的繩子，既可上下、左右擺動，也能順時針、逆時針旋轉。偏振調制器扮演著運動員的角色，制造出截然不同的運動軌跡。”

　　然而，主動控制太赫茲波的偏振具有非常大的挑戰性，這一現狀主要由太赫茲波的兩個天然特性引起。首先，太赫茲波的波長在百微米到毫米級別，比可見光大近三個數量級，常規材料難以實現高效的調控。其次，太赫茲波極大的帶寬要求器件具有非常低色散的響應特性，對結構提出了很高要求。“這如同在體操中既要繩子做出大幅度的甩動，又要具備高達100倍的速度變化能力。”陳學權進一步解釋。

　　針對這些難題，研究團隊通過調節偏振調制器的兩個關鍵參數——金屬鏡-棱鏡距離和液晶雙折射率，在超寬范圍內實現了太赫茲p偏振和s偏振光之間的大范圍相位調控，具有極低的色差，并同時保持光的反射強度幾乎不變。這意味著偏振的兩個基本維度可以被靈活控制，進而輸出任意的偏振態。實際上，該偏振調制器可以在任意中心頻率下輸出任意偏振狀態，并且相對帶寬均超過90%。

　　相比已報道的其他太赫茲偏振調控器，該研究團隊所研制的偏振調制器在多功能性、大工作帶寬以及高控制精度上取得了顯著性能突破，可為光譜檢測提供先進的偏振解析能力，滿足材料物理特性研究、生物制藥品質監測等應用需求，也可作為下一代信息技術的核心部件，在高速通信中降低傳輸損耗、提高數據吞吐量。

　　太赫茲多功能寬帶偏振調制器，左為器件結構示意圖，右為實驗測得的四種偏振態輸出。空天院供圖