▎撰稿：江天、胡瑜澤、何韋寶

▎導(dǎo)讀

近日，國防科技大學(xué)江天研究團隊結(jié)合光學(xué)人工超結(jié)構(gòu)與可重構(gòu)太赫茲超表面，實現(xiàn)了顏色光激發(fā)編碼的雙比特太赫茲超快調(diào)制。該工作為光學(xué)編碼太赫茲調(diào)制提供了一種新的發(fā)展途徑，進(jìn)一步啟發(fā)了基于超表面的光控太赫茲調(diào)控器件的探索，有望推進(jìn)復(fù)合超表面在太赫茲操控中的應(yīng)用。

該研究成果以“Color Coded Metadevices toward Programmed Terahertz Switching”為題在線發(fā)表在Light: Science & Applications。論文通訊作者為國防科技大學(xué)胡瑜澤副研究員和江天研究員，第一作者為國防科技大學(xué)博士生何韋寶。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃和國防科技大學(xué)青年創(chuàng)新人才孵化基金項目的支持。

▎正文

太赫茲具有低能量、大帶寬等特點，在高速無線通訊和無損檢測等方面具有巨大的應(yīng)用前景。然而，缺乏高效的太赫茲調(diào)制器限制了太赫茲科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。近年來，可重構(gòu)電磁超材料吸引了大量的關(guān)注，它能夠?qū)崟r靈活動態(tài)控制電磁波，有效彌補了太赫茲多功能器件的匱乏。所謂電磁超材料，是由周期排布的人工微結(jié)構(gòu)組成，能夠展現(xiàn)出天然材料所不具備的物理性質(zhì)。根據(jù)工作波段的不同，可以分為光學(xué)超材料、太赫茲超材料、微波超材料等。超表面是超材料的二維對應(yīng)物，具有易制備、易集成等特點，被廣泛應(yīng)用于太赫茲器件設(shè)計當(dāng)中。

最近，基于光控可重構(gòu)超表面的太赫茲調(diào)制器具有皮秒量級超快響應(yīng)時間，受到不少研究人員的青睞。這種光控調(diào)制方式具備無需接觸的優(yōu)點，還可以嘗試?yán)枚鄠€激發(fā)光束分別實現(xiàn)不同的功能。但是，光激發(fā)往往覆蓋整個超表面結(jié)構(gòu)，這使得很難獨立調(diào)控每個諧振單元，無法實現(xiàn)光控編碼的太赫茲調(diào)制。并且，泵浦光的光子能量大于可調(diào)諧材料帶隙就能夠?qū)崿F(xiàn)對太赫茲的有效調(diào)控，如何將泵浦光的自由度應(yīng)用到太赫茲調(diào)制當(dāng)中是一個極具挑戰(zhàn)的課題。

本工作中，研究人員創(chuàng)新性提出結(jié)合光學(xué)人工超結(jié)構(gòu)和可重構(gòu)太赫茲超表面實現(xiàn)對太赫茲的光控超快編碼調(diào)控，在不同顏色光激發(fā)下可以實現(xiàn)雙比特的太赫茲信息編碼（見圖1a）。光學(xué)人工超結(jié)構(gòu)，即周期排列的反射不同波長的分布式布拉格反射器（見圖1b、c），分別反射400 nm藍(lán)光和800 nm的紅光（見圖1e、f）。可重構(gòu)太赫茲超表面，由外延硅復(fù)合金屬人工微結(jié)構(gòu)構(gòu)成（見圖1c）。研究人員設(shè)計了金屬線和大小不同的開口諧振環(huán)的主動式超表面，提供了兩個太赫茲調(diào)制通道（見圖1g），在不同顏色光泵浦激發(fā)下，可以分別獨立控制對應(yīng)共振通道的開關(guān)，進(jìn)而實現(xiàn)對太赫茲的編碼調(diào)控，實現(xiàn)太赫茲的四種編碼狀態(tài)（“00”、“01”、“10”、“11”）的超快切換。

圖1：基于顏色編碼的雙比特太赫茲調(diào)控示意圖及超表面結(jié)構(gòu)設(shè)計

加工制備的復(fù)合型太赫茲超表面在自主搭建的雙光泵浦太赫茲探測系統(tǒng)進(jìn)行了測試，實驗證實了不同顏色光泵浦下的四種太赫茲幅值編碼狀態(tài)（見圖2a）。在400 nm的藍(lán)光泵浦時調(diào)制左邊低頻的共振通道，800 nm的紅光泵浦時調(diào)制右邊高頻的共振通道。當(dāng)獨立激發(fā)藍(lán)光/紅光時，編碼過程為“00-01/10-00”（見圖2b、c）；兩束光同時激發(fā)時，編碼為“00-11-00”（見圖2f）；如果選擇控制一個通道一直處于激發(fā)狀態(tài)而調(diào)制另一個通道，可以實現(xiàn)“01/10-11-01/10”的編碼調(diào)控（見圖2d、e）。四種編碼狀態(tài)之間的光控切換的響應(yīng)時間在1 ns以內(nèi)。

圖2：光控超快太赫茲編碼開關(guān)

這項工作將光學(xué)超材料與可重構(gòu)太赫茲超表面這兩種不同工作波段的人工微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有機結(jié)合。相比于傳統(tǒng)的調(diào)控方式，該方案做到了對單一元包內(nèi)局域耦合模式進(jìn)行獨立編碼，為太赫茲超表面調(diào)制器件提供了一種新穎的設(shè)計理念，也為實現(xiàn)各種太赫茲技術(shù)應(yīng)用（如，無線通信、生物傳感和無損檢測等）的多功能、高集成、可編程太赫茲功能器件開辟一條新的道路。這種編碼方法可以擴展到多位信息處理，未來有望應(yīng)用到光控太赫茲成像等領(lǐng)域。

▎論文信息

He, W., Cheng, X., Hu, S. et al. Color coded metadevices toward programmed terahertz switching. Light Sci Appl 13, 142 (2024). 

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01495-1

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