光控全介质超构表面：精妙演绎太赫兹双模调控

太赫兹波概指频率分布在0.1~10 THz的电磁波。作为当前人类开发最少的电磁波频段，由于具有特征能量、选择穿透性以及较强的安全性，太赫兹在生物医学成像、宽带无线通信、安保检查等领域均有着十分显著的应用前景，并被誉为“改变未来世界的十大技术之一”。

如何在更紧致的空间和利用更简单的结构实现对太赫兹波的多功能高效调控是目前微纳光学和太赫兹领域的研究热点。然而，由于自然材料在太赫兹波段的光学响应非常微弱，故传统的太赫兹调控器件的体积较为庞大，难以实现灵活简易的布设和集成，且其能够实现的动态调控功能极为有限。于是，在片上集成光学系统研究日趋成熟的技术背景下，人们逐渐将传统太赫兹系统的优化思路转移至超构表面—这类由二维亚波长人工原子按特定排列方式构建而成且对电磁波具有异乎寻常的调控能力的人工电磁材料上来。

为了实现对电磁波的主动可调，超构表面常常会与不同的外部激励控制材料相结合，通过不同的激励产生对电磁波不同的调制作用。在这些应用之中，光控可调超构表面因更快的调制速度和更高的调制像素分辨率受到了广泛的关注。常见的光控超构表面一般可实现两类调控功能：1)广泛应用于在激光产生、传感、结构色产生等领域的频率选择性（frequency-selective）调控；2)应用于能量收集、电磁波隐身等方面的频率非选择性（frequency-unselective）调控。若基于光控超构表面，利用外部激励，使其能够对太赫兹波实现多种简易且有效的调控，将大大提升太赫兹调控器件的科学意义和实用价值。

然而，若想实现不同的动态调控效果，往往意味着需要在人工原子中嵌入不同的开关与激励源，涉及比较复杂的设计与制作，无形之中增加了器件的设计难度和成本。近日，来自复旦大学的周磊、何琼团队和陶镇生团队合作，基于全介质材料，设计出了一种具有双模动态调控能力的超构表面。利用所探索的新型动态调控机制，他们得以实现具有拓展偏振调控能力的超构表面偏振器件和只在特定泵浦光与泵浦光能量密度下展示隐藏全息图样的光学信息加密器件。该工作以“Optically-controlled dielectric metasurfaces for dynamical dual-mode modulation on terahertz waves”为题，于2023年4月8日发表在Advanced Photonics 2023年第2期。

研究人员首先基于泵浦光太赫兹时域探测（Optical-Pump-Terahertz-Probe spectroscopy, OPTP）系统，从实验上验证了其所设计的介质超构表面对太赫兹波的双模动态调制效果。如图2所示，文中所设计的超构表面是由一系列的长方体硅柱子组成。在没有泵浦光入射时，通过观察其太赫兹透射谱上峰的位置，可以发现该超构表面所支持的两个共振模式，共振频率分别为f1=0.675 THz， f2=0.714 THz。随后，研究人员又探究了该超构表面在不同波长的泵浦光激励下，其太赫兹透射频谱随着泵浦光能量密度的变化。研究发现，当泵浦光波长为515 nm时，随着泵浦光能量密度的不断增强，高频模式很明显有一个蓝移的趋势，其共振强度也不断减弱。与此同时，低频模式则对外界所施加的泵浦光能量密度的改变表现得不敏感，其共振频率和Q值几乎不随着515 nm的泵浦光能量密度的增加而发生变化。与之形成鲜明对比的是，当泵浦光的波长被切换至1030 nm时，两个模式均可以同时被大幅度地调制。

研究人员随后利用准模 (Quasi-normal-mode, QNM)理论揭示了上述双模调制的工作机理。基于QNM理论，不同泵浦激发条件下两个共振模式的本征频率偏移的计算结果表明，对于两个不同的泵浦情况而言，共振模式的关系展现出了完全不一样的行为，它们在不同泵浦光波长下随着泵浦光能量密度的演化行为恰好吻合了实验测试和数值模拟中所观察到的谱线演化现象。QNM的计算结果表明，该超构表面体系中的双模动态调控功能，一方面取决于共振模式的场分布，另一方面取决于不同泵浦光波长下受微扰区域的大小。也就是说，一个模式是否能够被有效地动态调控来源于前述两者在空间上的交叠（Spatial overlap）。另外，值得注意的是，这种双模动态调控效应，只要选取了合适的材料，便能被拓展至其他频段中去。

在彻底理解双模调制的物理机制之后，研究人员设计了两种具有不同功能的超构器件，其一为既依赖于泵浦光波长也依赖于泵浦光能量密度的太赫兹动态调控偏振器件（图3）。通过改变泵浦光能量密度和泵浦光波长可以以不同形式改变出射太赫兹波的偏振态，从而进一步提升该器件对太赫兹波偏振态的调控能力。

研究人员更进一步将这种新型调控方式应用于光学信息加密器件的实现。如图4所示，他们将硅柱子底部的石英衬底替换为金，将超构表面变为一个反射式器件。同时，该超构表面由两种人工原子组成，它们有着不同的几何尺寸和完全不一样的光学响应，并以某种特定的方式进行排列。通过理论计算，研究人员验证了，当选择不同泵浦条件时，该超构表面会表现出不同的成像结果。只有在λ_pump=515 nm, F=50 μJ/cm²时，其才会在0.63 THz的太赫兹波入射下产生隐藏的全息图样（“FD”），而在泵浦光为1030 nm时或者完全不施加泵浦光时，这样的全息图样则会消失，这也证明了该超构表面在光学信息加密领域具备潜在的工作能力。

该研究成果不仅揭示了泵浦光的波长可以作为一个全新的自由度来实现对超构光学器件的全光动态调控，而且提供了利用超构表面体系中共振模式设计实现多模动态调控的新思路。该工作的开展极大拓展了人们对光场的动态调控手段，为实现更多的动态可调超构表面器件提供了新思路。

复旦大学物理学系博士研究生周昊阳、张盛和王顺甲为该论文的共同第一作者，复旦大学物理学系何琼教授、陶镇生教授和周磊教授为论文共同通讯作者。此研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研究计划项目和上海市科委研究基金的支持。