发布时间:2025-02-04 23:11 原文链接: 高精度调控让太赫兹波“舞动”自如

  1月22日,记者从中国科学院空天信息创新研究院(以下简称空天院)获悉,空天院研究员陈学权、方广有联合南京大学教授吴敬波团队,通过创新技术实现超宽带太赫兹偏振态的高精度动态调控,成果发表于《光学(Optica)》。这一关键技术的突破有助于推动太赫兹在新一代无线通信、文物无损检测、生物微量传感等方向的重要应用,在电子信息、文化遗产到生命健康领域发挥独特的作用。

  太赫兹(THz)波在电磁波谱中位于微波与红外之间,相关技术在过去二十年中受到大量关注并快速发展。太赫兹独特物理特性促使其在许多学科中获得广泛应用,例如太赫兹波的大带宽是未来6G高速无线通信的基础;太赫兹波能穿透并以优异的横、纵向分辨率解析许多光学不透明材料,使其成为继X光和超声之后的另一种新型无损检测技术,在制造业、制药业和考古学等领域具有独特优势;太赫兹波对水氢键网络弛豫、分子振动和载流子浓度的高灵敏度,使之成为生物医学、化学和物理研究中不可或缺的工具。

  在大多数应用中,太赫兹波的偏振态是一个关键控制参数。偏振描述的是电场振动随时间的变化规律,陈学权说:“光波的电场振动如同艺术体操运动员手里的绳子,既可上下、左右摆动,也能顺时针、逆时针旋转。偏振调制器扮演着运动员的角色,制造出截然不同的运动轨迹。”

  然而,主动控制太赫兹波的偏振具有非常大的挑战性,这一现状主要由太赫兹波的两个天然特性引起。首先,太赫兹波的波长在百微米到毫米级别,比可见光大近三个数量级,常规材料难以实现高效的调控。其次,太赫兹波极大的带宽要求器件具有非常低色散的响应特性,对结构提出了很高要求。“这如同在体操中既要绳子做出大幅度的甩动,又要具备高达100倍的速度变化能力。”陈学权进一步解释。

  针对这些难题,研究团队通过调节偏振调制器的两个关键参数——金属镜-棱镜距离和液晶双折射率,在超宽范围内实现了太赫兹p偏振和s偏振光之间的大范围相位调控,具有极低的色差,并同时保持光的反射强度几乎不变。这意味着偏振的两个基本维度可以被灵活控制,进而输出任意的偏振态。实际上,该偏振调制器可以在任意中心频率下输出任意偏振状态,并且相对带宽均超过90%。

  相比已报道的其他太赫兹偏振调控器,该研究团队所研制的偏振调制器在多功能性、大工作带宽以及高控制精度上取得了显著性能突破,可为光谱检测提供先进的偏振解析能力,满足材料物理特性研究、生物制药品质监测等应用需求,也可作为下一代信息技术的核心部件,在高速通信中降低传输损耗、提高数据吞吐量。

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  太赫兹多功能宽带偏振调制器,左为器件结构示意图,右为实验测得的四种偏振态输出。空天院供图


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