近日，中科院空天信息創(chuàng)新研究院研究員陳學(xué)權(quán)、方廣有帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)創(chuàng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)超寬帶太赫茲偏振態(tài)的高精度動(dòng)態(tài)調(diào)控。該項(xiàng)成果已發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《光學(xué)（Optica）》。這一關(guān)鍵技術(shù)的突破有助于推動(dòng)太赫茲在新一代無(wú)線通信、文物無(wú)損檢測(cè)、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(dú)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(guò)去二十年中受到大量關(guān)注并快速發(fā)展。太赫茲獨(dú)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(lái)6G高速無(wú)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在制造業(yè)、制藥業(yè)和考古學(xué)等領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；太赫茲波對(duì)水氫鍵網(wǎng)絡(luò)弛豫、分子振動(dòng)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。

在上述大多數(shù)應(yīng)用中，太赫茲波的偏振態(tài)是一個(gè)關(guān)鍵控制參數(shù)。偏振描述的是電場(chǎng)振動(dòng)隨時(shí)間的變化規(guī)律。陳學(xué)權(quán)科普地解釋道：“光波的電場(chǎng)振動(dòng)如同藝術(shù)體操運(yùn)動(dòng)員手里的繩子，既可上下、左右擺動(dòng)，也能順時(shí)針、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。偏振調(diào)制器扮演著運(yùn)動(dòng)員的角色，制造出截然不同的運(yùn)動(dòng)軌跡�！比欢�，主動(dòng)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(gè)天然特性引起。首先，太赫茲波的波長(zhǎng)在百微米到毫米級(jí)別，比可見(jiàn)光大近三個(gè)數(shù)量級(jí)，常規(guī)材料難以實(shí)現(xiàn)高效的調(diào)控。其次，太赫茲波極大的帶寬（0.1至10 THz）要求器件具有非常低色散的響應(yīng)特性，對(duì)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(dòng)，又要具備高達(dá)100倍的速度變化能力�！标悓W(xué)權(quán)進(jìn)一步解釋道。

太赫茲多功能寬帶偏振調(diào)制器。（a）為器件結(jié)構(gòu)示意圖，（b）為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的四種偏振態(tài)輸出。

針對(duì)上述難題，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)節(jié)偏振調(diào)制器的兩個(gè)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(shí)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(shí)保持光的反射強(qiáng)度幾乎不變。這意味著偏振的兩個(gè)基本維度可以被靈活控制，進(jìn)而輸出任意的偏振態(tài)。如下圖所示，偏振調(diào)制器可以在1.6-3.4 THz范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換并動(dòng)態(tài)切換相互正交線偏振和左/右圓偏振，且線偏率和圓偏率（DoLP，DoCP）均超過(guò)0.996。實(shí)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)，且相對(duì)帶寬均超過(guò)90%。

相比已報(bào)道的其他太赫茲偏振調(diào)控器，該研究團(tuán)隊(duì)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(cè)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(cè)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。

上述成果由該研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南京大學(xué)教授吳敬波團(tuán)隊(duì)共同完成，得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.540172