▎撰稿：江天、胡瑜澤、何韋寶

▎導讀

近日，國防科技大學江天研究團隊結合光學人工超結構與可重構太赫茲超表面，實現了顏色光激發編碼的雙比特太赫茲超快調制。該工作為光學編碼太赫茲調制提供了一種新的發展途徑，進一步啟發了基于超表面的光控太赫茲調控器件的探索，有望推進復合超表面在太赫茲操控中的應用。

該研究成果以“Color Coded Metadevices toward Programmed Terahertz Switching”為題在線發表在Light: Science & Applications。論文通訊作者為國防科技大學胡瑜澤副研究員和江天研究員，第一作者為國防科技大學博士生何韋寶。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃和國防科技大學青年創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用前景。然而，缺乏高效的太赫茲調制器限制了太赫茲科學技術的進一步發展。近年來，可重構電磁超材料吸引了大量的關注，它能夠實時靈活動態控制電磁波，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構組成，能夠展現出天然材料所不具備的物理性質。根據工作波段的不同，可以分為光學超材料、太赫茲超材料、微波超材料等。超表面是超材料的二維對應物，具有易制備、易集成等特點，被廣泛應用于太赫茲器件設計當中。

最近，基于光控可重構超表面的太赫茲調制器具有皮秒量級超快響應時間，受到不少研究人員的青睞。這種光控調制方式具備無需接觸的優點，還可以嘗試利用多個激發光束分別實現不同的功能。但是，光激發往往覆蓋整個超表面結構，這使得很難獨立調控每個諧振單元，無法實現光控編碼的太赫茲調制。并且，泵浦光的光子能量大于可調諧材料帶隙就能夠實現對太赫茲的有效調控，如何將泵浦光的自由度應用到太赫茲調制當中是一個極具挑戰的課題。

本工作中，研究人員創新性提出結合光學人工超結構和可重構太赫茲超表面實現對太赫茲的光控超快編碼調控，在不同顏色光激發下可以實現雙比特的太赫茲信息編碼（見圖1a）。光學人工超結構，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藍光和800 nm的紅光（見圖1e、f）。可重構太赫茲超表面，由外延硅復合金屬人工微結構構成（見圖1c）。研究人員設計了金屬線和大小不同的開口諧振環的主動式超表面，提供了兩個太赫茲調制通道（見圖1g），在不同顏色光泵浦激發下，可以分別獨立控制對應共振通道的開關，進而實現對太赫茲的編碼調控，實現太赫茲的四種編碼狀態（“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控示意圖及超表面結構設計

加工制備的復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進行了測試，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（見圖2a）。在400 nm的藍光泵浦時調制左邊低頻的共振通道，800 nm的紅光泵浦時調制右邊高頻的共振通道。當獨立激發藍光/紅光時，編碼過程為“00-01/10-00”（見圖2b、c）；兩束光同時激發時，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狀態而調制另一個通道，可以實現“01/10-11-01/10”的編碼調控（見圖2d、e）。四種編碼狀態之間的光控切換的響應時間在1 ns以內。

圖2：光控超快太赫茲編碼開關

這項工作將光學超材料與可重構太赫茲超表面這兩種不同工作波段的人工微結構進行了有機結合。相比于傳統的調控方式，該方案做到了對單一元包內局域耦合模式進行獨立編碼，為太赫茲超表面調制器件提供了一種新穎的設計理念，也為實現各種太赫茲技術應用（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，未來有望應用到光控太赫茲成像等領域。

▎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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