高精度調(diào)控讓太赫茲波“舞動”自如

1月22日，從中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院（以下簡稱空天院）獲悉，空天院研究員陳學(xué)權(quán)、方廣有聯(lián)合南京大學(xué)教授吳敬波團(tuán)隊，通過創(chuàng)新技術(shù)實現(xiàn)超寬帶太赫茲偏振態(tài)的高精度動態(tài)調(diào)控，成果發(fā)表于《光學(xué)（Optica）》。這一關(guān)鍵技術(shù)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(yīng)用，在電子信息、文化遺產(chǎn)到生命健康領(lǐng)域發(fā)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(guān)技術(shù)在過去二十年中受到大量關(guān)注并快速發(fā)展。太赫茲獨特物理特性促使其在許多學(xué)科中獲得廣泛應(yīng)用，例如太赫茲波的大帶寬是未來6G高速無線通信的基礎(chǔ)；太赫茲波能穿透并以優(yōu)異的橫、縱向分辨率解析許多光學(xué)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(shù)，在制造業(yè)、制藥業(yè)和考古學(xué)等領(lǐng)域具有獨特優(yōu)勢；太赫茲波對水氫鍵網(wǎng)絡(luò)弛豫、分子振動和載流子濃度的高靈敏度，使之成為生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)和物理研究中不可或缺的工具。

在大多數(shù)應(yīng)用中，太赫茲波的偏振態(tài)是一個關(guān)鍵控制參數(shù)。偏振描述的是電場振動隨時間的變化規(guī)律，陳學(xué)權(quán)說：“光波的電場振動如同藝術(shù)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(zhuǎn)。偏振調(diào)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(zhàn)性，這一現(xiàn)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(shù)量級，常規(guī)材料難以實現(xiàn)高效的調(diào)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(yīng)特性，對結(jié)構(gòu)提出了很高要求?！斑@如同在體操中既要繩子做出大幅度的甩動，又要具備高達(dá)100倍的速度變化能力?！标悓W(xué)權(quán)進(jìn)一步解釋。

針對這些難題，研究團(tuán)隊通過調(diào)節(jié)偏振調(diào)制器的兩個關(guān)鍵參數(shù)——金屬鏡-棱鏡距離和液晶雙折射率，在超寬范圍內(nèi)實現(xiàn)了太赫茲p偏振和s偏振光之間的大范圍相位調(diào)控，具有極低的色差，并同時保持光的反射強(qiáng)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(jìn)而輸出任意的偏振態(tài)。實際上，該偏振調(diào)制器可以在任意中心頻率下輸出任意偏振狀態(tài)，并且相對帶寬均超過90%。

相比已報道的其他太赫茲偏振調(diào)控器，該研究團(tuán)隊所研制的偏振調(diào)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(jìn)的偏振解析能力，滿足材料物理特性研究、生物制藥品質(zhì)監(jiān)測等應(yīng)用需求，也可作為下一代信息技術(shù)的核心部件，在高速通信中降低傳輸損耗、提高數(shù)據(jù)吞吐量。

太赫茲多功能寬帶偏振調(diào)制器，左為器件結(jié)構(gòu)示意圖，右為實驗測得的四種偏振態(tài)輸出?？仗煸汗﹫D