太赫茲（THz）波在電磁波譜中位于微波與紅外之間，獨(dú)特的物理特性使其受到大量關(guān)注并快速發(fā)展，在許多學(xué)科中獲得廣泛應(yīng)用。
中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院等科研人員開發(fā)出新型太赫茲波偏振調(diào)制器，可在太赫茲頻段靈活操控寬帶偏振態(tài)。該技術(shù)在下一代高速無(wú)線通信、文物無(wú)損檢測(cè)等場(chǎng)景具有巨大應(yīng)用潛力。
01
在微觀世界控制光
提到偏光太陽(yáng)眼鏡，也許大家并不陌生。根據(jù)光線的偏振原理制造的眼鏡，可以排除和濾除玻璃、道路、水面的強(qiáng)烈反射，提供更清晰的視覺。
在學(xué)術(shù)中，偏振是指光波電場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律。目前，光偏振在可見光頻段已能被成熟操控，但在太赫茲波段，控制光偏振困難得多。
太赫茲波是指頻率在0.1太赫茲至10太赫茲范圍內(nèi)的電磁波，在電磁波譜中位于微波與紅外線之間，具有大帶寬、穿透性強(qiáng)等特性。
太赫茲波能夠應(yīng)用于新一代無(wú)線通信、材料檢測(cè)、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。但要實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用，首先要精準(zhǔn)控制太赫茲波的偏振態(tài)。
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▲太赫茲寬帶任意偏振調(diào)制器的原理示意圖
02
實(shí)現(xiàn)高效調(diào)控
可見光波長(zhǎng)在百納米（10 -7m）量級(jí)，而太赫茲波長(zhǎng)為數(shù)百微米（10 -4m）。在光學(xué)頻段常見的偏振調(diào)控材料想要在太赫茲頻段發(fā)揮同樣的效果，相應(yīng)的器件厚度需要增加數(shù)百倍。
增加器件厚度帶來兩個(gè)顯著的問題，一是影響材料的響應(yīng)速度，使其變得非常遲緩；二是影響太赫茲波的透明度。
研究人員向這兩項(xiàng)難以攻克的難題發(fā)起挑戰(zhàn)。最終，他們發(fā)現(xiàn)，采用金屬鏡調(diào)控全反射成為一種完美適配太赫茲波長(zhǎng)的解決方案。
全反射是日常生活中常見的現(xiàn)象。例如，從側(cè)面斜視裝滿水的魚缸時(shí)，無(wú)法看到魚缸后面的物體。這是因?yàn)楣庠隰~缸后玻璃上形成了全反射，使之變成一面不透明的“鏡子”。這一現(xiàn)象在太赫茲頻段同樣適用。
當(dāng)太赫茲波發(fā)生全反射時(shí)，光波無(wú)法穿透界面，而是被“壓縮”在高度僅為幾十微米的區(qū)間內(nèi)。
研究人員發(fā)現(xiàn)，若在區(qū)域內(nèi)放置一個(gè)零吸收的金屬反射鏡，鏡子僅需幾微米的移動(dòng)便可顯著改變反射太赫茲波的偏振態(tài)。
這種“四兩撥千斤”的結(jié)構(gòu)，為大波長(zhǎng)尺度的太赫茲波提供了量身定制的高效調(diào)控方案，使之能夠在p-與s-偏振光之間產(chǎn)生高達(dá)289°的相位變化范圍，進(jìn)而輸出任意偏振態(tài)。
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▲通過金屬鏡微納高度移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的偏振態(tài)改變。（a）金屬鏡調(diào)控全反射的方法示意圖；（b）不同金屬鏡高度h下的p-s相位差變化；（c）金屬鏡高度的微納控制。
03
實(shí)現(xiàn)寬頻靈活調(diào)控
高度調(diào)節(jié)雖能獲得任意偏振態(tài)，但每次只能在一個(gè)頻率上實(shí)現(xiàn)，這顯然是不夠的。
研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，全反射結(jié)構(gòu)所提供的偏振相位差與頻率成正比，通過引入具有雙折射的液晶薄膜，可以提供與頻率成反比的相位差，且斜率可調(diào)，恰好消除頻率依賴性，獲得無(wú)色差的偏振輸出。
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▲經(jīng)液晶薄膜色散補(bǔ)償后的四種寬帶偏振輸出
目前，這款器件的多功能、寬帶、高精度調(diào)控性能可滿足大多數(shù)太赫茲應(yīng)用的偏振控制需求。
未來，器件將進(jìn)一步集成于太赫茲光譜成像系統(tǒng)，用于材料物理特性分析與藥物質(zhì)量監(jiān)測(cè)，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。
來源：中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院
責(zé)任編輯：曹旸