隨著研究的不斷深入，太赫茲科學與技術在多個基礎研究及工程應用領域的重要地位日益凸顯。輻射源、傳輸與控制及探測感知是太赫茲技術進一步發展需要繼續探索的三個重要方面。太赫茲波應用的共同基礎是使其與物質發生有效的相互作用以攜帶信息、傳輸能量等，實現這些過程往往需要對太赫茲信號的振幅、相位、頻率、偏振、波前等電磁特性及自旋角動量、軌道角動量等光子特性在時空維度上進行調控。上述調控可以直接在輻射源處進行，也可以在傳輸過程中引入額外的功能器件。

據麥姆斯咨詢報道，近期，天津大學激光與光電子研究所的科研團隊在《自然雜志》期刊上發表了以“太赫茲波調控技術：駕馭太赫茲之光”為主題的文章。該文章第一作者為姚建銓院士，通訊作者為姚建銓院士和張雅婷教授，姚建銓院士主要從事激光與非線性光學頻率變換、太赫茲科學與技術方面的研究工作，張雅婷教授主要從事微納光電子材料與器件、太赫茲技術方面的研究工作。

本文介紹了幾種最具代表性的、基于源及器件的太赫茲波調控技術，并總結其基本原理、發展歷程及最新進展。太赫茲波調控技術的發展將為太赫茲波的進一步應用奠定堅實的基礎。

典型應用

太赫茲波所衍生出的科學與技術在基礎研究和工業應用方面都具有極大的價值。這里簡要介紹幾種典型應用。

圖1 電磁波譜圖

（1）太赫茲波在下一代無線通信中的應用（如圖2）；（2）太赫茲波在天文學中的應用；（3）太赫茲波在生物醫學領域的應用（如圖3和圖4）；（4）太赫茲波在生物醫學領域的應用（如圖5和圖6）；

圖2 6G通信網絡應用場景

圖3 赫歇爾空間天文臺

圖4 南極冰穹A太赫茲觀測窗口

圖5 太赫茲光譜的生物醫學應用

圖6 太赫茲波調控技術：源調控及器件調控

太赫茲源調控

近年來，大型同步輻射光源、自由電子激光、高頻率真空電子器件、半導體器件以及超快超強高能激光技術的快速推進，為各種大功率和寬譜太赫茲輻射源提供了有力支撐。太赫茲輻射常見的實現途徑主要有非線性媒質（非線性光學、微波倍頻等）、加速的電荷或時變的電流（光電導、自由電子激光等）。在輻射源端通過光、電、磁等物理激勵可實現太赫茲波電磁特性的有效控制，是太赫茲波調控技術的重要組成部分。

自旋電子學源

超快激光泵浦的自旋激發太赫茲輻射為可調諧的低成本、超寬帶、易集成太赫茲源提供了新思路，在太赫茲源調控技術方面尤為突出。基于超快電子自旋動力學的太赫茲輻射機制主要有超快退磁、逆自旋霍爾效應（ISHE）、逆Rashba-Edelstein效應（IREE）、自旋塞貝克效應等。1996年法國科學家Beaurepaire等利用飛秒激光在鐵磁金屬Ni中首次觀察到超快退磁現象。此后通過對超快退磁機制的研究，與電子自旋屬性相關的超快電流被利用來產生太赫茲輻射。2013年，Kampfrath等通過飛秒激光脈沖激發鐵磁/重金屬異質結構，他們將鐵磁層中光誘導的自旋流注入非鐵磁層，基于逆自旋霍爾效應，將皮秒尺度的自旋流轉化為電荷流，從而輻射出了皮秒尺度的太赫茲脈沖。同年，Sánchez等在Ag/Bi界面中發現了IREE效應（圖7（b））。實驗中利用自旋抽運效應注入自旋流。2018年，美國阿貢國家實驗室和復旦大學/電子科技大學的兩個獨立課題組分別利用飛秒激光實現了Ag/Bi界面上基于IREE的超快自旋流-電荷流轉換（圖7（b-c）），并測量了太赫茲脈沖。2022年，金鉆明等人報道了一種在聚乙烯對苯二甲酸酯（PET）柔性襯底上制備的Pt/CoFe/Ta鐵磁/非磁異質結構自旋光電子學太赫茲輻射源（圖7（d））。最近，新加坡南洋理工大學Ranjan Singh教授團隊報道了使用單晶壓電材料薄膜的非線性電控自旋電流型太赫茲輻射源（圖7（e）），利用PMN-PT將人工磁電耦合到自旋電子太赫茲發射器上，并在剩磁條件下提供高達270%的太赫茲振幅調制。自旋的非線性電場控制是由于應變引起的鐵磁體薄膜磁能的變化而發生的。研究結果揭示，太赫茲自旋電流相位穩定且可重復切換。

圖7 太赫茲自旋電子學源調控。（a）鐵磁/重金屬異質結構，逆自旋霍爾效應；（b-c）Ag/Bi界面上基于IREE的超快自旋流-電荷流轉換；（d）柔性Pt/CoFe/Ta鐵磁/非磁異質結輻射源；（e）單晶壓電材料薄膜的非線性電控自旋電流型太赫茲輻射源

非線性光學效應及光電效應

2020年，北京航空航天大學吳曉珺教授團隊系統地研究了飛秒激光脈沖驅動的拓撲絕緣體Bi?Te?納米薄膜的太赫茲輻射，并通過改變泵浦光的偏振態成功實現了手性、橢圓率和偏振主軸實時可控的高效手性太赫茲波的產生（圖8（a））。手性太赫茲波的自由調控可以通過光電效應誘導的光電流來解釋，而線性偏振太赫茲波則源自線性光電效應誘導的位移電流。2021年，清華大學楊原牧等人利用商用化氧化銦錫（ITO）薄膜在1400 nm附近的折射率近零（ENZ）效應產生了寬帶太赫茲輻射（圖8（b））。該輻射源具有結構簡單、納米級厚度并不受傳統非線性晶體相位匹配的限制。同年，天津大學陸永昌等人結合ITO薄膜與光學非線性超表面實現了太赫茲輻射的增強與調控一體化設計（圖8（c））。超表面的等離子體共振與ITO 薄膜的ENZ模式之間的耦合將太赫茲輻射效率提高了4個數量級以上。同時，這種混合設計能夠通過等離子體超原子的非線性PB相位來塑造輻射太赫茲波束的偏振和波前。2022年，南方科技大學李貴新教授等人報道了利用光學非線性超構表面實現波束衍射級和線偏振同時可控的寬帶THz超光柵輻射源（圖8（d）），演示了超表面光柵對太赫茲輻射的零級抑制及線偏振態的全光控制。

圖8 非線性光學效應及光電效應的太赫茲源調控。（a）基于拓撲絕緣體的手性太赫茲輻射；（b）折射率近零效應產生寬帶太赫茲輻射；（c）ITO薄膜與光學非線性超表面實現太赫茲輻射增強與調控一體化設計；（d）光學非線性超構表面光柵實現寬帶THz輻射

太赫茲器件調控

太赫茲源雖然可以在外加物理場控制下實現電磁參數可調諧的輻射，但需要增加輻射結構或系統的設計復雜度，并且可調控的參數往往是單個或者很少。相比而言，功能器件對于太赫茲波的調控顯得更加靈活，在同一個太赫茲信號上可以隨意切換不同的調控功能，并且能夠實現更多參數及時空維度的調控。

太赫茲波段可供利用的自然材料種類非常有限，傳統的太赫茲器件大多采用體積大、功能單一、效率低下且價格昂貴的材料或技術方案，因此針對太赫茲波的各種高效率、低成本、結構緊湊的新型調控功能器件的開發設計還有很大的發展空間。超構材料和超構表面研究的快速發展為太赫茲器件的開發提供了嶄新的技術方案。作為人工設計的金屬或電介質亞波長單元陣列，超表面功能多樣，結構緊湊，易于制備，可以有效彌補太赫茲波段自然材料的匱乏。超構表面目前已經在太赫茲波的振幅、偏振、相位、波前、角動量等電磁或光子學參數的調控方面取得了諸多突破，實現了聚焦、偏折、起偏、吸收、偏振變換、全息成像、動態調制等光場調控功能。經過十余年的發展，超構表面目前正朝著多通道、多電磁參數、主動調控的趨勢進一步發展，以實現對電磁波在更多時空維度的調控。

單一參量調控

振幅調控

廣義地講，對于電磁波振幅的調控方式主要有吸收、散射、干涉等。2008年，美國波士頓大學的N. I. Landy等人首次報道了微波段的超材料完美吸收器。他們設計了雙開口環-絕緣層-矩形條的三層結構，利用亞波長電磁耦合效應在11.5 GHz處得到了高達88%的實測吸收率（圖9（a））。同年，該課題組將類似的結構用在了太赫茲波段，在1.3 THz處實現了70%的吸收（圖9（b））。此后太赫茲超表面吸收器的研究活躍多年。近幾年，基于摻雜硅、碳基泡沫材料等方式的太赫茲吸收器也多有報道（圖9（cd））。在散射方面，東南大學崔鐵軍院士團隊于2015年報道了基于超表面的太赫茲波反射縮減。他們利用算法優化的偽隨機相位排布實現了寬帶、大角度范圍的太赫茲波散射，在1~1.8 THz范圍內反射低于10%（圖9（e））。

圖9 基于超構表面的太赫茲振幅調控。（a）微波段超表面完美吸收體；（b）太赫茲波段超表面完美吸收體；（c）摻雜硅超表面太赫茲吸收器；（d）碳基納米材料太赫茲吸收器；（e）基于隨機相位優化的超表面太赫茲波散射體

相位與波前調控

2011年，哈佛大學FedericoCapasso教授課題組提出光學介質界面相位不連續情況下的折射反射描述規律，即廣義Snell定律，從而拉開了基于超表面的相位與波前調控研究序幕。他們設計了V形金屬諧振單元，通過改變諧振單元的形狀實現了線偏振交叉分量的相位梯度設計，在近紅外波段展示了光束偏折及渦旋波束的產生（圖10（a））。2013年，首都師范大學張巖教授團隊首次報道了太赫茲波段的超表面波前調控器件。他們采用鏤空型的V形結構展示了超薄的聚焦透鏡、全息器件及太赫茲渦旋波束產生器（圖10（b））。同年，天津大學張學遷等人在太赫茲波段設計的圓形開口環結構實現了相位梯度，展示了基于超表面的太赫茲波束偏折和衍射聚焦（圖10（c））。

圖10 基于超構表面的太赫茲相位及波前調控。（a）光學波段的超表面波前調控；（b）太赫茲波段V形結構的波前控制；（c）太赫茲波段C形開口環的波前控制

偏振調控

傳統光學器件主要采用線雙折射晶體制成的半波片和四分之一波片實現偏振旋轉和變換，具有圓雙折射特性的材料如磁光材料、手性介質等也可實現微弱的偏振操控。眾所周知，一束完全偏振光可以分解為具有特定相位差和振幅比的正交線偏振或圓偏振分量，只要改變相位差或振幅比就能實現偏振調控。而超表面偏振調控器件主要也是基于上述機制，通過設計亞波長結構單元的形狀和空間朝向、對稱性等特性實現所需的偏振響應。早在2003年，英國南安普敦大學的A. Papakostas等人就提出，打破面內鏡像對稱性和高階旋轉對稱性的手性超表面具有偏振旋轉特性（圖11（a））。2004年，加拿大維多利亞大學的R. Gordon等人利用橢圓金屬孔陣列實現了可見光的透射波偏振轉換功能（圖11（b））。2008年，加州大學伯克利分校張翔教授課題組采用“L”形金屬孔實現了近紅外光的偏振旋轉（圖11（c））。在太赫茲波段，張翔教授團隊于2009年首次報道了基于MEMS技術的太赫茲手性超表面（圖11（d）），他們研究了其自旋選擇性吸收和負折射效應。2013年，天津大學韓家廣教授團隊提出的一種三層金屬光柵結構實現了透射波線偏振旋轉功能，該結構利用三層金屬間的F-P（Fabry-Perot）共振效應使太赫茲波多次反射，大大提高了偏振旋轉效率（圖11（e））。2014年，該團隊又利用類似的原理設計了一款透射式的寬帶太赫茲四分之一波片（圖11（f））。2016年，英國伯明翰大學的Mitchell Kenney等人報道了一種全硅“人”字形手性超表面（圖11（g）），該結構利用具有不同高度及方位角的相鄰單元之間的Pancharatnam-Berry相位干涉實現了自旋選擇性透射（圖11（h））。2021年，天津大學激光與光電子研究所提出平面化雙“L”形全硅結構手性超表面（圖11（i）），以導波共振的方式實現了自旋選擇性太赫茲透射，實驗測得圓二色峰值達43%。

圖11 基于超構表面的太赫茲偏振調控。（a）光波段手性超表面的偏振旋轉特性；（b）基于橢圓孔的可見光透射波偏振轉換；（c）“L”形金屬孔實現了近紅外光的偏振旋轉；（d）基于MEMS技術的太赫茲手性超表面；（e-f）基于三層金屬光柵結構的太赫茲半波片及四分之一波片；（g-h）全硅“人”字形太赫茲手性超表面；（i）平面化雙“L”形全硅結構手性超表面

復合參量調控

在基于超表面的太赫茲波調控過程中，許多情況下兩個或多個電磁參量可以實現同時控制，這與超表面單元諧振的物理機制有關。2013年，美國勞倫斯國家實驗室的Hou-Tong Chen團隊利用金屬-絕緣介質-金屬三層結構在太赫茲波段分別實現了反射波偏振轉化和透射波的交叉分量波前調控（圖12（a）），該結構大大提高了器件的工作效率。其中透射式結構對太赫茲波的偏振及波前（相位）實現了同時控制。2014年，英國伯明翰大學的張霜教授團隊利用金屬圓形開口環實現了透射太赫茲波的振幅和相位同時控制，他們通過調整開口大小和朝向設計了幾種超表面奇異光柵，實現了衍射級控制（圖12（b））。2018年，天津大學韓家廣教授團隊報道了基于反射式手性超構表面的圓偏振復用太赫茲全息，利用異構手性超原子的組合排列實現了對入射波偏振、振幅、波前三個參數的同時控制（圖12（c））。2022年，天津大學姚建銓院士團隊李繼濤等人報道了基于全硅超表面的起偏-波前控制一體化器件（圖12（d）），他們利用兩種各向異性超原子交叉排列組合成新的單元，通過兩個原子間交叉偏振分量的相消相長干涉及新單元間的相對相位，分別實現了偏振產生和波前控制的功能。同年，該團隊利用幾何相位與動力學相位的聯合設計實現了縱向演化太赫茲矢量光束的產生（圖12（e-f）），通過正交圓偏振分量的長焦深聚焦錯位疊加，展示了三個電場分量在橫向和縱向空間中的同時調控，該工作同時對太赫茲波的偏振和波前實現了三維空域控制。

圖12 基于超構表面的太赫茲復合參量調控。（a）基于金屬-絕緣介質-金屬三層結構的太赫茲透射偏振-波前控制；（b）基于金屬圓形開口環的透射太赫茲波的振幅和相位同時控制；（c）反射式手性超構表面太赫茲波偏振-振幅-波前控制；（d）基于全硅超表面的起偏-波前控制一體化器件；（e-f）基于全硅超表面的縱向演化太赫茲矢量光束的產生

多通道調控

超表面單元具有各向異性、強色散等奇異電磁特性，從而能夠在一個器件中通過頻率、偏振等參量的復用實現多個獨立的設計通道，對不同偏振態、工作頻率表現出不同的響應。2015年，加州理工學院的Andrei Faraon教授課題組首次報道了光學超表面的偏振復用波前調控（圖13（a））。他們在氧化硅襯底上制備了非晶硅的橢圓納米柱陣列，實現了近紅外波段的正交線偏振、圓偏振分量的獨立波前控制，實驗測量的平均透射效率高達85%。2016年，東南大學崔鐵軍院士團隊報道了一款太赫茲波段的反射式線偏振復用太赫茲超表面，該結構由“金屬微結構-介質-金屬反射板”構成，對正交線偏振入射太赫茲波實現了獨立、高效的反射波前控制（圖13（b））。2017年，哈佛大學FedericoCapasso教授課題組從理論上系統地論述了具有正交偏振態的電磁波相位獨立控制方法，重點介紹了結合動力學相位和幾何相位實現正交圓偏振態獨立相位控制的實現方式，并實驗展示了其在可見光波段的手性全息應用（圖13（c））。同年，天津大學韓家廣教授團隊利用各向異性的全硅結構實現了線偏振復用的太赫茲波前調控。2019年，該團隊的許悅紅等人報道了基于自旋解耦超表面的雙通道非對稱偏振態產生，該器件對于不同的線偏振入射波產生不同的偏振態分離（圖13（d））。2021年，天津大學姚建銓院士團隊的李杰等人設計并驗證了一種具有獨立線偏振通道的偏振變換-波前控制一體化超構器件，他們利用全硅各向異性單元的線雙折射結合空間交織排列形成三個獨立相位通道，并基于正交分量的復振幅疊加，實現了偏振變換和波前設計（圖13（e））。2022年，該團隊利用空間交織排列方式，通過對全硅結構進行充分的參數優化設計，實現了太赫茲波段的頻率復用超表面，透射太赫茲波分別在0.8 THz和1 THz頻率處表現為拓撲荷為2和0的聚焦波束。

圖13 基于超構表面的太赫茲多通道調控。（a）光波段全介質結構的線偏振及圓偏振復用；（b）太赫茲波段金屬結構線偏振復用超表面；（c）正交圓偏振光波的獨立相位控制；（d）全硅結構的太赫茲圓偏振復用；（e）全硅結構線偏振復用的波前控制

主動調控

通過外加物理場改變器件的電磁響應稱之為主動調控，該器件也可稱之為有源器件。太赫茲波在與物質相互作用過程中對其折射率、電導率等材料特性比較敏感，且該波段內有源材料豐富，尺寸較大，容易制備，因此主動控制超表面的研究異常活躍。這為太赫茲器件在外加電、光、熱、磁等物理場條件下的主動控制功能提供了可能性，也為太赫茲波調控增添了新的自由度，極大地增強了太赫茲功能器件的靈活性和智能化程度。

2006年，美國勞倫斯國家實驗室的Richard D. Averitt教授團隊在Nature雜志發表了第一個太赫茲主動調控超構器件的工作。他們將一組金屬電諧振超表面單元制備在半導體襯底上，諧振單元陣列和襯底一起有效地形成了一個肖特基二極管，在電壓偏置下實現了高達50%的太赫茲透射振幅調制深度（圖14（a））。2011年，韓國首爾國立大學的J. S. Kyoung等人利用金屬超表面-二氧化釩復合結構實現了基于材料室溫相變的太赫茲波動態調制，他們分別展示了氧化釩薄膜的溫致相變和光致相變情形下的振幅調制性能。2012年，加州大學伯克利分校的張翔教授團隊報道了一種光控手性太赫茲超表面，利用硅-金屬雜化MEMS結構實現了激光照射下太赫茲波的橢圓率翻轉和偏振旋轉（圖14（b））。同年，該課題組設計了一種單層石墨烯-超表面雜化結構，在電偏置條件下實現了高達90%的振幅調制和40°的相位偏移（圖14（c））。2013年，首都師范大學張巖教授團隊利用結構化飛秒激光照射硅片產生光生載流子作為諧振單元，實現了太赫茲波的空間光調制器，并展示了其實時產生太赫茲矢量光束和計算全息圖像的功能（圖14（d））。2015年，南開大學常勝江教授團隊報道了基于InSb超表面的太赫茲波非互易傳輸及主動控制，在外加磁場條件下，InSb表現出很強的磁光特性，實現了透射太赫茲波的高效磁場調制。2017年，英國伯明翰大學的張霜教授團隊設計了一種雙層金屬手性超表面，并利用單層石墨烯-離子凝膠技術在電壓偏置下實現了透射太赫茲波高效的偏振及相位調控（圖14（e））。2021年，天津大學姚建銓院士團隊報道了一種光控全介質結構的可調諧太赫茲吸收器，他們利用1064 nm連續激光照射高阻硅超表面，利用該激光光子能量與高阻硅能帶的匹配關系，在500 μm厚度范圍內實現了大于1.3 THz的吸收帶寬和100%的調制深度（圖14（g））。2022年，南京大學金飚兵教授團隊利用金屬-二氧化釩雜化結構陣列實現了太赫茲波段的可編程超表面，并展示了其非易失性存儲特性（圖14（h））。同年，東南大學崔鐵軍院士團隊報道了基于超表面-液晶復合結構的太赫茲可編程超表面，并演示了其電控動態波束掃描功能（圖14（f））。

圖14 基于超構表面的太赫茲主動調控。（a）電控金屬-半導體異質結太赫茲超表面；（b）光控MEMS手性太赫茲超表面；（c）電控石墨烯振幅調制器；（d）結構化飛秒激光泵浦的太赫茲空間光調制器；（e）電控石墨烯-金屬手性超表面；（f）基于液晶的可編程太赫茲超表面；（g）連續激光調諧的全硅太赫茲吸收器；（h）金屬-二氧化釩雜化結構可編程太赫茲超表面

結語

本文介紹了太赫茲波調控技術的兩類主要方案，分別為太赫茲源的調控和太赫茲功能器件。太赫茲源部分梳理了自旋電子學源的發展歷程和代表性工作，另外介紹了幾種最新報道的基于拓撲絕緣體光電效應、近零折射率材料及光學超表面非線性光學效應的輻射源。功能器件部分主要介紹了最新前沿研究的太赫茲超表面器件，從調控方式上按照單參數、多參數、多通道、可調諧等方面分別進行介紹，列舉了近10年來的部分主要工作。

基于源及功能器件的太赫茲波調控技術已經取得了明顯的進展，但仍有一些不可忽視的問題需要完善或解決。對于太赫茲源，目前大多數技術方案仍然需要高性能飛秒激光脈沖作為激勵源，而輻射的太赫茲波功率往往比較有限。另外，自旋電子學源及非線性超構表面輻射源需要納米級薄膜甚至圖案化結構的制備，與現有的電光晶體、光電導天線等成熟方案相比加工難度較大。如何進一步縮小系統體積、提高太赫茲輻射效率、降低核心組件的加工難度是值得思考的方面。對于功能器件，單層金屬結構超表面由于阻抗不匹配，其效率明顯低下，而雙層或多層金屬結構將大大增加大面積樣品的加工難度。全硅結構雖然效率有所提高，但高折射率所導致的菲涅爾損耗高達30%，并且采用低折射率襯底也會增大加工難度。另外，波前調控類超表面器件設計相對繁瑣，需要進行大量的結構參數優化與選取。提高器件的調控效率及能量利用率、減小器件的加工難度、提升器件設計的效率等方面是值得進一步努力的方向。

審核編輯：彭菁