导读：近日，我校光电工程学院韩家广教授研究团队与天津大学、安徽大学、沙特阿卜杜拉国王科技大学及美国俄克拉荷马州立大学联合攻关，实现了宽带太赫兹辐射同时对振幅、相位和偏振的全控制。研究成果以题为“Nonlinear Metasurfaces for Completed Control of Amplitude, Phase, and Polarization in Broadband Terahertz Generation”发表于《Advanced Materials》上（IF=27.4）。韩家广教授、天津大学张学迁教授和沙特阿卜杜拉国王科技大学Xixiang Zhang教授为论文共同通讯作者。所提出的方法在开发具有定制功能的高度集成THz源方面具有巨大潜力。
摘要：太赫兹（THz）产生是THz应用中的关键起始步骤。然而，目前的THz源在不使用外部设备的情况下，难以完全控制所产生THz波的传播特性。这一限制导致系统体积庞大，存在不可避免的插入损耗和带宽约束。为了克服这些挑战并促进紧凑、多功能的THz应用，本文提出了一种使用非线性超表面的新方法，在发射阶段直接且同时控制宽带THz波的幅度、相位和偏振。基本设计采用精心设计的耦合控制手性元原子，可调节手性，并在圆偏振（CP）泵浦下实现独立的幅度和相位控制策略。此外，通过设计产生的左旋圆偏振（LCP）和右旋圆偏振（RCP）分量的叠加，可以任意定制发射THz波的偏振态。这种控制是线性可预测的，无需复杂的非线性模拟和交错超胞排列。通过实验生成两种独特的矢量THz场：空间-偏振可分离态和不可分离态，证明了该方法的有效性。所提出的方法显著增强了非线性超表面的能力，为多功能THz产生设备开辟了道路。
解决的问题：太赫兹（THz）应用中，现有THz源在不借助外部设备时，难以全面控制产生的THz波的传播特性，导致系统庞大、存在插入损耗和带宽受限等问题，阻碍了THz应用的紧凑化和多功能化发展。
提出的方法：提出使用非线性超表面的新方法，设计耦合控制的手性元原子。通过控制元原子间耦合来调整THz波幅度，利用非线性PB相控制相位，采用非交错超胞方法设计左旋和右旋圆偏振THz分量叠加来控制偏振，在发射阶段直接同时控制宽带THz波的幅度、相位和偏振。
实现的效果：实验展示了对宽带THz波幅度、相位和偏振的完全控制，实现了空间-偏振可分离和不可分离的THz矢量场的产生。THz波的控制范围覆盖0.2-2.7THz，能生成多种偏振态的THz波，且在实验中验证了设计的有效性。
创新点：实现非线性超表面对THz波幅度、相位和偏振的同时完全控制。基于手性元原子的设计，使幅度控制与非线性PB相兼容独立；非交错超超表面设计实现偏振态的任意定制，且控制具有线性可预测性，为多功能THz源发展奠定基础。
图1：耦合控制的磁偶极子共振（MDR）激发。
图2：发射THz波的幅度和相位的完全控制。
图3：发射THz波的偏振态的完全控制。
图4：THz矢量束的产生。
文章信息：
Q. Wang, X. Zhang, Q. Xu, X. Feng, L. Niu, X. Chen, Y. Lu, J. Feng, M. Fang, X. Zhang, W. Zhang, J. Han, Nonlinear Metasurfaces for Completed Control of Amplitude, Phase, and Polarization in Broadband Terahertz Generation. Adv. Mater. 2025, 2500392.
https://doi.org/10.1002/adma.202500392
