太赫兹波调控技术的主要方案

MEMS 2023-08-17 2223

描述

随着研究的不断深入，太赫兹科学与技术在多个基础研究及工程应用领域的重要地位日益凸显。辐射源、传输与控制及探测感知是太赫兹技术进一步发展需要继续探索的三个重要方面。太赫兹波应用的共同基础是使其与物质发生有效的相互作用以携带信息、传输能量等，实现这些过程往往需要对太赫兹信号的振幅、相位、频率、偏振、波前等电磁特性及自旋角动量、轨道角动量等光子特性在时空维度上进行调控。上述调控可以直接在辐射源处进行，也可以在传输过程中引入额外的功能器件。

据麦姆斯咨询报道，近期，天津大学激光与光电子研究所的科研团队在《自然杂志》期刊上发表了以“太赫兹波调控技术：驾驭太赫兹之光”为主题的文章。该文章第一作者为姚建铨院士，通讯作者为姚建铨院士和张雅婷教授，姚建铨院士主要从事激光与非线性光学频率变换、太赫兹科学与技术方面的研究工作，张雅婷教授主要从事微纳光电子材料与器件、太赫兹技术方面的研究工作。

本文介绍了几种最具代表性的、基于源及器件的太赫兹波调控技术，并总结其基本原理、发展历程及最新进展。太赫兹波调控技术的发展将为太赫兹波的进一步应用奠定坚实的基础。

典型应用

太赫兹波所衍生出的科学与技术在基础研究和工业应用方面都具有极大的价值。这里简要介绍几种典型应用。

图1 电磁波谱图

（1）太赫兹波在下一代无线通信中的应用（如图2）；（2）太赫兹波在天文学中的应用；（3）太赫兹波在生物医学领域的应用（如图3和图4）；（4）太赫兹波在生物医学领域的应用（如图5和图6）；

图2 6G通信网络应用场景

图3 赫歇尔空间天文台

图4 南极冰穹A太赫兹观测窗口

图5 太赫兹光谱的生物医学应用

图6 太赫兹波调控技术：源调控及器件调控

太赫兹源调控

近年来，大型同步辐射光源、自由电子激光、高频率真空电子器件、半导体器件以及超快超强高能激光技术的快速推进，为各种大功率和宽谱太赫兹辐射源提供了有力支撑。太赫兹辐射常见的实现途径主要有非线性媒质（非线性光学、微波倍频等）、加速的电荷或时变的电流（光电导、自由电子激光等）。在辐射源端通过光、电、磁等物理激励可实现太赫兹波电磁特性的有效控制，是太赫兹波调控技术的重要组成部分。

自旋电子学源

超快激光泵浦的自旋激发太赫兹辐射为可调谐的低成本、超宽带、易集成太赫兹源提供了新思路，在太赫兹源调控技术方面尤为突出。基于超快电子自旋动力学的太赫兹辐射机制主要有超快退磁、逆自旋霍尔效应（ISHE）、逆Rashba-Edelstein效应（IREE）、自旋塞贝克效应等。1996年法国科学家Beaurepaire等利用飞秒激光在铁磁金属Ni中首次观察到超快退磁现象。此后通过对超快退磁机制的研究，与电子自旋属性相关的超快电流被利用来产生太赫兹辐射。2013年，Kampfrath等通过飞秒激光脉冲激发铁磁/重金属异质结构，他们将铁磁层中光诱导的自旋流注入非铁磁层，基于逆自旋霍尔效应，将皮秒尺度的自旋流转化为电荷流，从而辐射出了皮秒尺度的太赫兹脉冲。同年，Sánchez等在Ag/Bi界面中发现了IREE效应（图7（b））。实验中利用自旋抽运效应注入自旋流。2018年，美国阿贡国家实验室和复旦大学/电子科技大学的两个独立课题组分别利用飞秒激光实现了Ag/Bi界面上基于IREE的超快自旋流-电荷流转换（图7（b-c）），并测量了太赫兹脉冲。2022年，金钻明等人报道了一种在聚乙烯对苯二甲酸酯（PET）柔性衬底上制备的Pt/CoFe/Ta铁磁/非磁异质结构自旋光电子学太赫兹辐射源（图7（d））。最近，新加坡南洋理工大学Ranjan Singh教授团队报道了使用单晶压电材料薄膜的非线性电控自旋电流型太赫兹辐射源（图7（e）），利用PMN-PT将人工磁电耦合到自旋电子太赫兹发射器上，并在剩磁条件下提供高达270%的太赫兹振幅调制。自旋的非线性电场控制是由于应变引起的铁磁体薄膜磁能的变化而发生的。研究结果揭示，太赫兹自旋电流相位稳定且可重复切换。

图7 太赫兹自旋电子学源调控。（a）铁磁/重金属异质结构，逆自旋霍尔效应；（b-c）Ag/Bi界面上基于IREE的超快自旋流-电荷流转换；（d）柔性Pt/CoFe/Ta铁磁/非磁异质结辐射源；（e）单晶压电材料薄膜的非线性电控自旋电流型太赫兹辐射源

非线性光学效应及光电效应

2020年，北京航空航天大学吴晓珺教授团队系统地研究了飞秒激光脉冲驱动的拓扑绝缘体Bi₂Te₃纳米薄膜的太赫兹辐射，并通过改变泵浦光的偏振态成功实现了手性、椭圆率和偏振主轴实时可控的高效手性太赫兹波的产生（图8（a））。手性太赫兹波的自由调控可以通过光电效应诱导的光电流来解释，而线性偏振太赫兹波则源自线性光电效应诱导的位移电流。2021年，清华大学杨原牧等人利用商用化氧化铟锡（ITO）薄膜在1400 nm附近的折射率近零（ENZ）效应产生了宽带太赫兹辐射（图8（b））。该辐射源具有结构简单、纳米级厚度并不受传统非线性晶体相位匹配的限制。同年，天津大学陆永昌等人结合ITO薄膜与光学非线性超表面实现了太赫兹辐射的增强与调控一体化设计（图8（c））。超表面的等离子体共振与ITO 薄膜的ENZ模式之间的耦合将太赫兹辐射效率提高了4个数量级以上。同时，这种混合设计能够通过等离子体超原子的非线性PB相位来塑造辐射太赫兹波束的偏振和波前。2022年，南方科技大学李贵新教授等人报道了利用光学非线性超构表面实现波束衍射级和线偏振同时可控的宽带THz超光栅辐射源（图8（d）），演示了超表面光栅对太赫兹辐射的零级抑制及线偏振态的全光控制。

图8 非线性光学效应及光电效应的太赫兹源调控。（a）基于拓扑绝缘体的手性太赫兹辐射；（b）折射率近零效应产生宽带太赫兹辐射；（c）ITO薄膜与光学非线性超表面实现太赫兹辐射增强与调控一体化设计；（d）光学非线性超构表面光栅实现宽带THz辐射

太赫兹器件调控

太赫兹源虽然可以在外加物理场控制下实现电磁参数可调谐的辐射，但需要增加辐射结构或系统的设计复杂度，并且可调控的参数往往是单个或者很少。相比而言，功能器件对于太赫兹波的调控显得更加灵活，在同一个太赫兹信号上可以随意切换不同的调控功能，并且能够实现更多参数及时空维度的调控。

太赫兹波段可供利用的自然材料种类非常有限，传统的太赫兹器件大多采用体积大、功能单一、效率低下且价格昂贵的材料或技术方案，因此针对太赫兹波的各种高效率、低成本、结构紧凑的新型调控功能器件的开发设计还有很大的发展空间。超构材料和超构表面研究的快速发展为太赫兹器件的开发提供了崭新的技术方案。作为人工设计的金属或电介质亚波长单元阵列，超表面功能多样，结构紧凑，易于制备，可以有效弥补太赫兹波段自然材料的匮乏。超构表面目前已经在太赫兹波的振幅、偏振、相位、波前、角动量等电磁或光子学参数的调控方面取得了诸多突破，实现了聚焦、偏折、起偏、吸收、偏振变换、全息成像、动态调制等光场调控功能。经过十余年的发展，超构表面目前正朝着多通道、多电磁参数、主动调控的趋势进一步发展，以实现对电磁波在更多时空维度的调控。

单一参量调控

振幅调控

广义地讲，对于电磁波振幅的调控方式主要有吸收、散射、干涉等。2008年，美国波士顿大学的N. I. Landy等人首次报道了微波段的超材料完美吸收器。他们设计了双开口环-绝缘层-矩形条的三层结构，利用亚波长电磁耦合效应在11.5 GHz处得到了高达88%的实测吸收率（图9（a））。同年，该课题组将类似的结构用在了太赫兹波段，在1.3 THz处实现了70%的吸收（图9（b））。此后太赫兹超表面吸收器的研究活跃多年。近几年，基于掺杂硅、碳基泡沫材料等方式的太赫兹吸收器也多有报道（图9（cd））。在散射方面，东南大学崔铁军院士团队于2015年报道了基于超表面的太赫兹波反射缩减。他们利用算法优化的伪随机相位排布实现了宽带、大角度范围的太赫兹波散射，在1~1.8 THz范围内反射低于10%（图9（e））。

图9 基于超构表面的太赫兹振幅调控。（a）微波段超表面完美吸收体；（b）太赫兹波段超表面完美吸收体；（c）掺杂硅超表面太赫兹吸收器；（d）碳基纳米材料太赫兹吸收器；（e）基于随机相位优化的超表面太赫兹波散射体

相位与波前调控

2011年，哈佛大学FedericoCapasso教授课题组提出光学介质界面相位不连续情况下的折射反射描述规律，即广义Snell定律，从而拉开了基于超表面的相位与波前调控研究序幕。他们设计了V形金属谐振单元，通过改变谐振单元的形状实现了线偏振交叉分量的相位梯度设计，在近红外波段展示了光束偏折及涡旋波束的产生（图10（a））。2013年，首都师范大学张岩教授团队首次报道了太赫兹波段的超表面波前调控器件。他们采用镂空型的V形结构展示了超薄的聚焦透镜、全息器件及太赫兹涡旋波束产生器（图10（b））。同年，天津大学张学迁等人在太赫兹波段设计的圆形开口环结构实现了相位梯度，展示了基于超表面的太赫兹波束偏折和衍射聚焦（图10（c））。

图10 基于超构表面的太赫兹相位及波前调控。（a）光学波段的超表面波前调控；（b）太赫兹波段V形结构的波前控制；（c）太赫兹波段C形开口环的波前控制

偏振调控

传统光学器件主要采用线双折射晶体制成的半波片和四分之一波片实现偏振旋转和变换，具有圆双折射特性的材料如磁光材料、手性介质等也可实现微弱的偏振操控。众所周知，一束完全偏振光可以分解为具有特定相位差和振幅比的正交线偏振或圆偏振分量，只要改变相位差或振幅比就能实现偏振调控。而超表面偏振调控器件主要也是基于上述机制，通过设计亚波长结构单元的形状和空间朝向、对称性等特性实现所需的偏振响应。早在2003年，英国南安普敦大学的A. Papakostas等人就提出，打破面内镜像对称性和高阶旋转对称性的手性超表面具有偏振旋转特性（图11（a））。2004年，加拿大维多利亚大学的R. Gordon等人利用椭圆金属孔阵列实现了可见光的透射波偏振转换功能（图11（b））。2008年，加州大学伯克利分校张翔教授课题组采用“L”形金属孔实现了近红外光的偏振旋转（图11（c））。在太赫兹波段，张翔教授团队于2009年首次报道了基于MEMS技术的太赫兹手性超表面（图11（d）），他们研究了其自旋选择性吸收和负折射效应。2013年，天津大学韩家广教授团队提出的一种三层金属光栅结构实现了透射波线偏振旋转功能，该结构利用三层金属间的F-P（Fabry-Perot）共振效应使太赫兹波多次反射，大大提高了偏振旋转效率（图11（e））。2014年，该团队又利用类似的原理设计了一款透射式的宽带太赫兹四分之一波片（图11（f））。2016年，英国伯明翰大学的Mitchell Kenney等人报道了一种全硅“人”字形手性超表面（图11（g）），该结构利用具有不同高度及方位角的相邻单元之间的Pancharatnam-Berry相位干涉实现了自旋选择性透射（图11（h））。2021年，天津大学激光与光电子研究所提出平面化双“L”形全硅结构手性超表面（图11（i）），以导波共振的方式实现了自旋选择性太赫兹透射，实验测得圆二色峰值达43%。

图11 基于超构表面的太赫兹偏振调控。（a）光波段手性超表面的偏振旋转特性；（b）基于椭圆孔的可见光透射波偏振转换；（c）“L”形金属孔实现了近红外光的偏振旋转；（d）基于MEMS技术的太赫兹手性超表面；（e-f）基于三层金属光栅结构的太赫兹半波片及四分之一波片；（g-h）全硅“人”字形太赫兹手性超表面；（i）平面化双“L”形全硅结构手性超表面

复合参量调控

在基于超表面的太赫兹波调控过程中，许多情况下两个或多个电磁参量可以实现同时控制，这与超表面单元谐振的物理机制有关。2013年，美国劳伦斯国家实验室的Hou-Tong Chen团队利用金属-绝缘介质-金属三层结构在太赫兹波段分别实现了反射波偏振转化和透射波的交叉分量波前调控（图12（a）），该结构大大提高了器件的工作效率。其中透射式结构对太赫兹波的偏振及波前（相位）实现了同时控制。2014年，英国伯明翰大学的张霜教授团队利用金属圆形开口环实现了透射太赫兹波的振幅和相位同时控制，他们通过调整开口大小和朝向设计了几种超表面奇异光栅，实现了衍射级控制（图12（b））。2018年，天津大学韩家广教授团队报道了基于反射式手性超构表面的圆偏振复用太赫兹全息，利用异构手性超原子的组合排列实现了对入射波偏振、振幅、波前三个参数的同时控制（图12（c））。2022年，天津大学姚建铨院士团队李继涛等人报道了基于全硅超表面的起偏-波前控制一体化器件（图12（d）），他们利用两种各向异性超原子交叉排列组合成新的单元，通过两个原子间交叉偏振分量的相消相长干涉及新单元间的相对相位，分别实现了偏振产生和波前控制的功能。同年，该团队利用几何相位与动力学相位的联合设计实现了纵向演化太赫兹矢量光束的产生（图12（e-f）），通过正交圆偏振分量的长焦深聚焦错位叠加，展示了三个电场分量在横向和纵向空间中的同时调控，该工作同时对太赫兹波的偏振和波前实现了三维空域控制。

图12 基于超构表面的太赫兹复合参量调控。（a）基于金属-绝缘介质-金属三层结构的太赫兹透射偏振-波前控制；（b）基于金属圆形开口环的透射太赫兹波的振幅和相位同时控制；（c）反射式手性超构表面太赫兹波偏振-振幅-波前控制；（d）基于全硅超表面的起偏-波前控制一体化器件；（e-f）基于全硅超表面的纵向演化太赫兹矢量光束的产生

多通道调控

超表面单元具有各向异性、强色散等奇异电磁特性，从而能够在一个器件中通过频率、偏振等参量的复用实现多个独立的设计通道，对不同偏振态、工作频率表现出不同的响应。2015年，加州理工学院的Andrei Faraon教授课题组首次报道了光学超表面的偏振复用波前调控（图13（a））。他们在氧化硅衬底上制备了非晶硅的椭圆纳米柱阵列，实现了近红外波段的正交线偏振、圆偏振分量的独立波前控制，实验测量的平均透射效率高达85%。2016年，东南大学崔铁军院士团队报道了一款太赫兹波段的反射式线偏振复用太赫兹超表面，该结构由“金属微结构-介质-金属反射板”构成，对正交线偏振入射太赫兹波实现了独立、高效的反射波前控制（图13（b））。2017年，哈佛大学FedericoCapasso教授课题组从理论上系统地论述了具有正交偏振态的电磁波相位独立控制方法，重点介绍了结合动力学相位和几何相位实现正交圆偏振态独立相位控制的实现方式，并实验展示了其在可见光波段的手性全息应用（图13（c））。同年，天津大学韩家广教授团队利用各向异性的全硅结构实现了线偏振复用的太赫兹波前调控。2019年，该团队的许悦红等人报道了基于自旋解耦超表面的双通道非对称偏振态产生，该器件对于不同的线偏振入射波产生不同的偏振态分离（图13（d））。2021年，天津大学姚建铨院士团队的李杰等人设计并验证了一种具有独立线偏振通道的偏振变换-波前控制一体化超构器件，他们利用全硅各向异性单元的线双折射结合空间交织排列形成三个独立相位通道，并基于正交分量的复振幅叠加，实现了偏振变换和波前设计（图13（e））。2022年，该团队利用空间交织排列方式，通过对全硅结构进行充分的参数优化设计，实现了太赫兹波段的频率复用超表面，透射太赫兹波分别在0.8 THz和1 THz频率处表现为拓扑荷为2和0的聚焦波束。

图13 基于超构表面的太赫兹多通道调控。（a）光波段全介质结构的线偏振及圆偏振复用；（b）太赫兹波段金属结构线偏振复用超表面；（c）正交圆偏振光波的独立相位控制；（d）全硅结构的太赫兹圆偏振复用；（e）全硅结构线偏振复用的波前控制

主动调控

通过外加物理场改变器件的电磁响应称之为主动调控，该器件也可称之为有源器件。太赫兹波在与物质相互作用过程中对其折射率、电导率等材料特性比较敏感，且该波段内有源材料丰富，尺寸较大，容易制备，因此主动控制超表面的研究异常活跃。这为太赫兹器件在外加电、光、热、磁等物理场条件下的主动控制功能提供了可能性，也为太赫兹波调控增添了新的自由度，极大地增强了太赫兹功能器件的灵活性和智能化程度。

2006年，美国劳伦斯国家实验室的Richard D. Averitt教授团队在Nature杂志发表了第一个太赫兹主动调控超构器件的工作。他们将一组金属电谐振超表面单元制备在半导体衬底上，谐振单元阵列和衬底一起有效地形成了一个肖特基二极管，在电压偏置下实现了高达50%的太赫兹透射振幅调制深度（图14（a））。2011年，韩国首尔国立大学的J. S. Kyoung等人利用金属超表面-二氧化钒复合结构实现了基于材料室温相变的太赫兹波动态调制，他们分别展示了氧化钒薄膜的温致相变和光致相变情形下的振幅调制性能。2012年，加州大学伯克利分校的张翔教授团队报道了一种光控手性太赫兹超表面，利用硅-金属杂化MEMS结构实现了激光照射下太赫兹波的椭圆率翻转和偏振旋转（图14（b））。同年，该课题组设计了一种单层石墨烯-超表面杂化结构，在电偏置条件下实现了高达90%的振幅调制和40°的相位偏移（图14（c））。2013年，首都师范大学张岩教授团队利用结构化飞秒激光照射硅片产生光生载流子作为谐振单元，实现了太赫兹波的空间光调制器，并展示了其实时产生太赫兹矢量光束和计算全息图像的功能（图14（d））。2015年，南开大学常胜江教授团队报道了基于InSb超表面的太赫兹波非互易传输及主动控制，在外加磁场条件下，InSb表现出很强的磁光特性，实现了透射太赫兹波的高效磁场调制。2017年，英国伯明翰大学的张霜教授团队设计了一种双层金属手性超表面，并利用单层石墨烯-离子凝胶技术在电压偏置下实现了透射太赫兹波高效的偏振及相位调控（图14（e））。2021年，天津大学姚建铨院士团队报道了一种光控全介质结构的可调谐太赫兹吸收器，他们利用1064 nm连续激光照射高阻硅超表面，利用该激光光子能量与高阻硅能带的匹配关系，在500 μm厚度范围内实现了大于1.3 THz的吸收带宽和100%的调制深度（图14（g））。2022年，南京大学金飚兵教授团队利用金属-二氧化钒杂化结构阵列实现了太赫兹波段的可编程超表面，并展示了其非易失性存储特性（图14（h））。同年，东南大学崔铁军院士团队报道了基于超表面-液晶复合结构的太赫兹可编程超表面，并演示了其电控动态波束扫描功能（图14（f））。

图14 基于超构表面的太赫兹主动调控。（a）电控金属-半导体异质结太赫兹超表面；（b）光控MEMS手性太赫兹超表面；（c）电控石墨烯振幅调制器；（d）结构化飞秒激光泵浦的太赫兹空间光调制器；（e）电控石墨烯-金属手性超表面；（f）基于液晶的可编程太赫兹超表面；（g）连续激光调谐的全硅太赫兹吸收器；（h）金属-二氧化钒杂化结构可编程太赫兹超表面

结语

本文介绍了太赫兹波调控技术的两类主要方案，分别为太赫兹源的调控和太赫兹功能器件。太赫兹源部分梳理了自旋电子学源的发展历程和代表性工作，另外介绍了几种最新报道的基于拓扑绝缘体光电效应、近零折射率材料及光学超表面非线性光学效应的辐射源。功能器件部分主要介绍了最新前沿研究的太赫兹超表面器件，从调控方式上按照单参数、多参数、多通道、可调谐等方面分别进行介绍，列举了近10年来的部分主要工作。

基于源及功能器件的太赫兹波调控技术已经取得了明显的进展，但仍有一些不可忽视的问题需要完善或解决。对于太赫兹源，目前大多数技术方案仍然需要高性能飞秒激光脉冲作为激励源，而辐射的太赫兹波功率往往比较有限。另外，自旋电子学源及非线性超构表面辐射源需要纳米级薄膜甚至图案化结构的制备，与现有的电光晶体、光电导天线等成熟方案相比加工难度较大。如何进一步缩小系统体积、提高太赫兹辐射效率、降低核心组件的加工难度是值得思考的方面。对于功能器件，单层金属结构超表面由于阻抗不匹配，其效率明显低下，而双层或多层金属结构将大大增加大面积样品的加工难度。全硅结构虽然效率有所提高，但高折射率所导致的菲涅尔损耗高达30%，并且采用低折射率衬底也会增大加工难度。另外，波前调控类超表面器件设计相对繁琐，需要进行大量的结构参数优化与选取。提高器件的调控效率及能量利用率、减小器件的加工难度、提升器件设计的效率等方面是值得进一步努力的方向。

审核编辑：彭菁

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