来源：桂林电子科技大学

    近日，桂林电子科技大学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开展合作研究，提出了一种基于耦合调控型手性超原子的非线性超表面设计方案，首次实现了对宽带太赫兹辐射振幅、相位与偏振的全参数调控。研究成果以题为“Nonlinear Metasurfaces for Completed Control of Amplitude, Phase, and Polarization in Broadband Terahertz Generation”发表于国际顶级期刊《Advanced Materials》上（IF=27.4）。桂林电子科技大学韩家广教授、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。

    太赫兹波（THz）作为电磁波谱中连接微波与红外的重要频段，在高速通信、无损检测、生物医学成像等领域展现出了巨大应用潜力。然而，在现有传统太赫兹辐射源中，通常难以对其辐射THz波的振幅、相位及偏振态等传输参数进行直接且精准的调控，必须依赖外置调制器件实现操控。这一局限导致系统集成度降低、插入损耗显著且带宽受限，不利于THz器件和系统的集成化发展。

    研究团队提出一种基于耦合调控型手性超原子的非线性超表面设计方案。通过调节超原子间的耦合大小，可在圆偏振泵浦光激发下对产生的宽带THz波振幅进行连续调控；研究团队采用非交错的超单元设计方式，利用了左右旋太赫兹辐射振幅和相位响应的共轭特征，通过在特定衍射角度设计两旋向太赫兹辐射的振幅和相位关系，从而实现了出射THz波振幅，相位和偏振的全参数控制 (图1) 。该方法极大地拓展了非线性超表面的应用潜力，为开发多功能、集成化太赫兹光源提供了新方法。

基于非线性超表面的太赫兹辐射振幅、相位和偏振全参数调控示意图

    研究亮点：

    1、基于耦合效应的手性超原子设计：研究团队提出耦合调控型的手性超原子由金属条形谐振器（BR）与开口环谐振器（SRR）构成。通过调节BR与SRR的耦合强度，在圆偏振泵浦下实现SRR上磁偶极子谐振强度的连续调制。(图2)

    2、THz波振幅和相位的独立控制：通过调控BR与SRR的耦合强度，实现对THz波振幅的控制。引入与取向角相关的非线性PB相位，使相位调控完全独立于振幅调制过程。(图3)

    3、产生任意THz偏振态：通过在设计上引入一对相反的相位梯度将非线性超表面产生的LCP与RCP分量在空间上分离开，从而在特定衍射级次上实现正交圆偏振分量的复振幅控制，进而叠加出任意的偏振态。（图4）

    4、空间-偏振可分与不可分的太赫兹矢量光束产生：研究团队进一步设计了两类太赫兹矢量光束，在实验上成功产生空间-偏振可分与不可分两类独特矢量特性的太赫兹光束，证实了调控方案的宽带性。（图5）

基于耦合效应的磁偶极子谐振强度调控

THz波振幅和相位的独立控制

产生任意THz偏振态

空间-偏振可分与不可分的太赫兹矢量光束产生

THz辐射表征系统

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